Tasso di espansione dell’universo

Gli astronomi che usano il spaziale della NASA affermano di aver superato una soglia importante nel rivelare una discrepanza tra le due tecniche chiave per misurare il tasso di espansione dell’universo. Il recente studio rafforza il fatto che potrebbero essere necessarie nuove teorie per spiegare le forze che hanno modellato il cosmo.

Un breve riepilogo: l’universo si sta ingrandendo ogni secondo. Lo spazio tra le galassie si sta allungando, come la pasta che sale nel forno. Ma quanto è veloce l’espansione dell’universo? Mentre Hubble e altri telescopi cercano di rispondere a questa domanda, hanno incontrato una differenza intrigante tra ciò che gli scienziati predicono e ciò che osservano.

Le misurazioni di Hubble suggeriscono un tasso di espansione più veloce nell’universo moderno del previsto, basato su come l’universo è apparso più di 13 miliardi di anni fa. Queste misurazioni dell’universo primordiale provengono dal satellite Planck dell’ europea. Questa discrepanza è stata identificata in negli ultimi anni, ma non è chiaro se le differenze nelle tecniche di misurazione siano da incolpare o se la differenza possa derivare da misurazioni sfortunate.

Gli ultimi dati di Hubble riducono la possibilità che la discrepanza sia solo un colpo a 1 su 100.000. Questo è un guadagno significativo da una stima precedente, meno di un anno fa, di una possibilità di 1 su 3.000.

Le misurazioni Hubble più precise fino ad oggi rafforzano l’idea che possa essere necessaria una nuova fisica per spiegare la discrepanza.

“La tensione di Hubble tra l’universo primordiale e quello tardo potrebbe essere lo sviluppo più eccitante della cosmologia degli ultimi decenni”, hanno affermato il ricercatore principale e premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute (STScI) e della Johns Hopkins University, a Baltimora, nel Maryland. “Questa discrepanza è cresciuta e ora ha raggiunto un punto che è davvero impossibile da liquidare come un colpo di fortuna. Questa disparità non potrebbe verificarsi plausibilmente solo per caso”.

Stringere i bulloni sulla “scala di distanza cosmica”

Gli scienziati usano una “scala di distanza cosmica” per determinare quanto sono lontane le cose nell’universo. Questo metodo dipende dal fare misurazioni accurate delle distanze con le galassie vicine e poi spostarsi verso le galassie più lontane e più lontane, usando le loro stelle come marker di migliopost. Gli astronomi usano questi valori, insieme ad altre misurazioni della luce delle galassie che arrossa mentre attraversa un universo di stretching, per calcolare quanto velocemente il cosmo si espande con il tempo, un valore noto come costante di Hubble. Riess e il suo team SH0ES (Supernovae H0 per l’equazione di stato) sono in missione dal 2005 per affinare le misurazioni di distanza con Hubble e perfezionare la costante di Hubble.

In questo nuovo studio, gli astronomi hanno usato Hubble per osservare 70 stelle pulsanti chiamate variabili Cefeidi nella Grande Nube di Magellano. Le osservazioni hanno aiutato gli astronomi a “ricostruire” la scala delle distanze migliorando il confronto tra quelle Cefeidi e i loro cugini più distanti nelle schiere galattiche delle supernove. Il team di Riess ha ridotto l’incertezza del valore costante di Hubble all’1,9% rispetto a una stima precedente del 2,2%.

Dato che le misurazioni della squadra sono diventate più precise, il loro calcolo della costante di Hubble è rimasto in disaccordo con il valore atteso derivato dalle osservazioni dell’espansione dell’universo primordiale. Quelle misurazioni sono state fatte da Planck, che mappa lo sfondo delle microonde cosmiche, un retroproiettore relico da 380.000 anni dopo il Big Bang.

Le misurazioni sono state accuratamente verificate, quindi gli astronomi non possono attualmente eliminare il divario tra i due risultati come dovuto ad un errore in una singola misura o metodo. Entrambi i valori sono stati testati in diversi modi.

“Questo non è solo due esperimenti in disaccordo”, ha spiegato Riess. “Stiamo misurando qualcosa di fondamentalmente diverso: uno è una misura della velocità con cui l’universo si sta espandendo oggi, come lo vediamo noi. L’altro è una previsione basata sulla fisica dell’universo primordiale e sulla misura della velocità con cui dovrebbe espandersi Se questi valori non sono d’accordo, diventa molto probabile che ci manchi qualcosa nel modello cosmologico che collega le due ere “.

Come è stato fatto il nuovo studio

Gli astronomi hanno utilizzato le variabili Cefeidi come parametri cosmici per misurare le distanze intergalattiche nelle vicinanze per oltre un secolo. Ma cercare di raccogliere un sacco di queste stelle era talmente dispendioso in termini di tempo da essere quasi irraggiungibile. Quindi, il team ha utilizzato un nuovo metodo intelligente, chiamato DASH (Drift and Shift), che utilizza Hubble come una fotocamera “inquadra e scatta” per scattare rapidamente le immagini delle stelle pulsanti estremamente luminose, eliminando il bisogno di tempo per precisione puntamento.

“Quando Hubble usa puntamento preciso bloccando le stelle guida, può osservare solo un Cefeide per ogni orbita di 90 minuti attorno alla Terra, quindi sarebbe molto costoso per il telescopio osservare ogni Cefeide”, ha spiegato il membro del team Stefano Casertano, anche di STScI e Johns Hopkins. “Invece, abbiamo cercato gruppi di Cefeidi abbastanza vicini tra loro che potessimo spostarci tra di loro senza ricalibrare il puntamento del telescopio.Questi Cefeidi sono così luminosi, dobbiamo solo osservarli per due secondi. Questa tecnica ci permette di osservare un dozzine di Cefeidi per la durata di un’orbita, quindi rimaniamo sul controllo del giroscopio e continuiamo a “schizzare” molto velocemente. ”

Gli astronomi di Hubble hanno poi combinato i loro risultati con un’altra serie di osservazioni, realizzate dal Progetto Araucaria, una collaborazione tra astronomi di istituzioni in Cile, Stati Uniti ed Europa. Questo gruppo ha misurato la distanza con la Grande Nube di Magellano osservando l’oscuramento della luce quando una stella passa davanti al suo partner nel sistema di stelle binari eclissanti.

Le misurazioni combinate hanno aiutato il team SH0ES a perfezionare la vera luminosità delle Cefeidi. Con questo risultato più accurato, il team potrebbe quindi “stringere i bulloni” del resto della scala a distanza che si estende più a fondo nello spazio.

La nuova stima della costante di Hubble è di 74 chilometri (46 miglia) al secondo per megaparsec. Ciò significa che per ogni 3,3 milioni di anni luce di distanza da noi è presente una galassia, sembra che si stia spostando di 74 chilometri (46 miglia) al secondo più velocemente, come conseguenza dell’espansione dell’universo. Il numero indica che l’universo si sta espandendo ad un tasso più veloce del 9% rispetto alla previsione di 67 chilometri (41.6 miglia) al secondo per megaparsec, che deriva dalle osservazioni di Planck dell’universo primordiale, insieme alla nostra attuale comprensione dell’universo.

Quindi, cosa potrebbe spiegare questa discrepanza?

Una spiegazione per il disallineamento comporta una comparsa inaspettata di energia oscura nel giovane universo, che si ritiene ora comprenda il 70% dei contenuti dell’universo. Proposto dagli astronomi di Johns Hopkins, la teoria è soprannominata “energia oscura precoce” e suggerisce che l’universo si sia evoluto come un gioco in tre atti.

Gli astronomi hanno già ipotizzato che l’energia oscura sia esistita durante i primi secondi dopo il Big Bang e abbia spinto la materia nello spazio, iniziando l’espansione iniziale. L’energia oscura potrebbe anche essere la ragione per l’espansione accelerata dell’universo oggi. La nuova teoria suggerisce che ci fu un terzo episodio di energia oscura non molto tempo dopo il Big Bang, che espanse l’universo più velocemente di quanto gli astronomi avevano previsto. L’esistenza di questa “prima energia oscura” potrebbe spiegare la tensione tra i due valori costanti di Hubble, ha detto Riess.

Un’altra idea è che l’universo contiene una nuova particella subatomica che viaggia vicino alla velocità della luce. Tali particelle veloci sono collettivamente chiamate “radiazioni oscure” e includono particelle precedentemente note come i neutrini, che sono create in reazioni nucleari e decadimenti radioattivi.

Un’altra possibilità allettante è che la materia oscura (una forma invisibile di materia non composta da protoni, ed elettroni) interagisce più fortemente con la materia o radiazione normale di quanto si pensasse in precedenza.

Ma la vera spiegazione è ancora un mistero.

Riess non ha una risposta a questo fastidioso problema, ma il suo team continuerà a usare Hubble per ridurre le incertezze nella costante di Hubble. Il loro obiettivo è ridurre l’incertezza all’1%, che dovrebbe aiutare gli astronomi a identificare la causa della discrepanza.

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I risultati del team sono stati accettati per la pubblicazione su Astrophysical Journal .

è un progetto di tra la NASA e l’ESA (European Space Agency). Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, gestisce il telescopio. Lo Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimora, nel Maryland, conduce operazioni scientifiche di Hubble. STScI è gestito dalla NASA dall’Associazione delle università per la ricerca in astronomia a Washington, DC

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