Una nuova misurazione potrebbe cambiare la nostra comprensione dell’universo

L’universo si sta espandendo, ma a quale velocità esattamente? La risposta sembra dipendere dal fatto che si stimi il tasso di espansione cosmica, denominato costante di Hubble o H₀-basato sull’eco del Big Bang (il fondo cosmico a microonde, o CMB) o H₀ Dipende direttamente dalle stelle e dalle galassie di oggi. Questo problema, noto come tensione di Hubble, ha sconcertato astrofisici e cosmologi di tutto il mondo.

Uno studio del gruppo Stellar Standard Candles and Distances guidato da Richard Anderson presso l’EPFL Institute of Physics aggiunge un nuovo pezzo al puzzle. La loro ricerca è stata pubblicata in Astronomia e astrofisica, ha raggiunto la calibrazione più accurata delle stelle Cefeidi – un tipo di stella variabile la cui luminosità fluttua in un determinato periodo – per le misurazioni della distanza fino ad oggi sulla base dei dati raccolti dalla missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea (ESA). Questa nuova calibrazione amplifica ulteriormente la tensione di Hubble.

Costante di Hubble (H₀) prende il nome dall’astrofisico che scoprì questo fenomeno con Georges Lemaitre alla fine degli anni ’20. Si misura in chilometri al secondo per megasec (km/s/Mpc), dove 1 Mpc equivale a circa 3,26 milioni di anni luce.

La migliore misura diretta di H.₀ Utilizza una “scala della distanza cosmica”, il cui primo gradino è fissato dalla calibrazione assoluta della luminosità del caviale, ora ricalibrata dallo studio dell’EPFL. Le cefeidi, al contrario, calibrano il gradino successivo della scala, seguendo le supernove – le potenti esplosioni delle stelle alla fine della loro vita – l’espansione dello spazio stesso.

Questa scala di distanza, misurata in supernove, H.₀per il team SH0ES (Dark Energy Equation of State) guidato da Adam Riess, vincitore del premio Nobel per la fisica nel 2011, pone H₀ a 73,0 ± 1,0 km/sec/mpc.

La prima radiazione dopo il Big Bang

H₀ Può anche essere determinato interpretando la radiazione CMB, l’onnipresente radiazione a microonde rimasta dal Big Bang più di 13 miliardi di anni fa. Tuttavia, il metodo di misurazione dell'”universo primordiale” deve presupporre la comprensione fisica più dettagliata di come l’universo si è evoluto, rendendolo dipendente dal modello. Il satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea (ESA) ha fornito i dati più completi sulla CMB e, secondo questo metodo, H₀ 67,4 ± 0,5 km/sec/mc.

La tensione di Hubble indica questa discrepanza di 5,6 km/sec/milione di blocchi, a seconda che venga utilizzato il metodo CMB (universo primordiale) o distance ladder (universo tardo). L’implicazione, a condizione che le misurazioni effettuate con entrambi i metodi siano corrette, è che c’è qualcosa di sbagliato nella comprensione delle leggi fisiche fondamentali che governano l’universo. Naturalmente, questa questione chiave sottolinea quanto sia importante che i metodi degli astrofisici siano affidabili.

Il nuovo studio dell’EPFL è molto importante perché rafforza il primo gradino della scala della distanza migliorando la calibrazione delle Cefeidi come rilevatori di distanza. Infatti, la nuova calibrazione ci consente di misurare le distanze astronomiche entro ± 0,9%, e questo fornisce un forte supporto per la misurazione tardiva dell’entropia. Inoltre, i risultati ottenuti all’EPFL hanno aiutato, in collaborazione con il team SH0ES, a migliorare H.₀ misurazione, con conseguente miglioramento della precisione e maggiore significatività della tensione di Hubble.

“Il nostro studio conferma il tasso di espansione di 73 km/s/Mpc, ma, cosa ancora più importante, fornisce anche le calibrazioni più accurate e affidabili dei cifidi come strumenti di misurazione della distanza fino ad oggi”, afferma Anderson.

“Abbiamo sviluppato un metodo che cercava Cefeidi appartenenti ad ammassi stellari di diverse centinaia di stelle testando se le stelle si muovono insieme attraverso la Via Lattea. Grazie a questo trucco, possiamo sfruttare la migliore conoscenza delle misurazioni della parallasse di Gaia sfruttando allo stesso tempo l’aumento Questo ci ha permesso di spingere la risoluzione delle opinioni di Gaia ai loro limiti e fornisce la base più solida su cui può poggiare la scala della distanza.”

Ripensare i concetti di base

Perché è importante una differenza di pochi chilometri/secondo/Mpc, data la vasta scala dell’universo? “Questa discrepanza è di grande importanza”, afferma Anderson.

“Supponiamo che tu voglia costruire un tunnel perforando due lati opposti di una montagna. Se hai compreso correttamente il tipo di roccia e se i tuoi calcoli sono corretti, i due fori che stai perforando si incontreranno al centro. Ma se lo fanno no, allora hai commesso un errore: o i tuoi calcoli sono sbagliati o ti sbagli sul tipo di roccia.

“Questo è ciò che accade con la costante di Hubble. Più conferme otteniamo sull’accuratezza dei nostri calcoli, più concludiamo che la discrepanza significa che la nostra comprensione dell’universo è sbagliata, che l’universo non è proprio quello che pensavamo fosse .”

La contraddizione ha molti altri effetti. Mette in discussione i fondamenti, come l’esatta natura dell’energia oscura, la continuità temporale e la gravità. “Ciò significa che dobbiamo ripensare i concetti fondamentali che costituiscono la base della nostra comprensione generale della fisica”, afferma Anderson.

Lo studio del suo gruppo dà un importante contributo anche ad altri campi. “Poiché le nostre misurazioni sono così precise, ci danno un’idea della geometria della Via Lattea”, afferma Mauricio Cruz Reyes, PhD. Studente nel gruppo di ricerca di Anderson e autore principale dello studio. “La calibrazione ad alta risoluzione che abbiamo sviluppato ci consentirà di determinare meglio le dimensioni e la forma della Via Lattea come galassia a disco piatto e la sua distanza da altre galassie, ad esempio. Il nostro lavoro ha anche confermato l’affidabilità dei dati di Gaia confrontando con quella di altri telescopi.