A che velocità si sta espandendo l’Universo?

A che velocità si sta espandendo l’Universo?
E’ uno degli aspetti enigmatici che mirano a farci comprendere il nostro destino cosmico e che ancora oggi necessita di ulteriori dati.

Usando una tecnica relativamente nuova e potenzialmente più precisa per misurare le distanze cosmiche, gli astronomi hanno calcolato la velocità in 73,3 chilometri al secondo per megaparsec. Ciò significa che per ogni megaparsec, 3,3 milioni di anni luce o 3 miliardi di trilioni di chilometri dalla Terra, l’universo si espande di 73,3 ± 2,5 chilometri al secondo in più rispetto alle stime precedenti.

DISCREPANZE

Curiosamente, le stime del tasso di espansione locale basate sulle fluttuazioni misurate nel fondo cosmico a microonde e, indipendentemente, sulle fluttuazioni della densità della materia nell’universo primordiale (oscillazioni acustiche barioniche), danno una risposta molto diversa: 67,4 ± 0,5 km/sec./Mpc.

Una discrepanza che preoccupa gli astronomi, perché il tasso di espansione è un parametro fondamentale per comprendere la fisica e l’evoluzione dell’universo, ed è la chiave per comprendere l’energia oscura, che accelera la velocità di espansione dell’universo e quindi fa cambiare la costante di Hubble con l’aumentare della distanza dalla Terra.

SBF

Per la nuova stima, gli astronomi hanno misurato le fluttuazioni nella luminosità della superficie di 63 galassie ellittiche giganti. La tecnica della fluttuazione della luminosità superficiale (SBF) è indipendente da altre tecniche e ha il potenziale per fornire stime di distanza più precise rispetto ad altri metodi entro 330 milioni di anni luce. Le 63 galassie campione si trovano a distanze comprese tra 15 e 99 Mpc; guardando indietro nel tempo una mera frazione dell’età dell’universo.

I dati su queste galassie sono stati raccolti e analizzati da John Blakeslee, un astronomo del NOIRLab della National Science Foundation. È il primo autore di un articolo ora accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal di cui è coautore con il collega Joseph Jensen della Utah Valley University di Orem.

Blakeslee, che dirige lo staff scientifico che supporta gli osservatori ottici e infrarossi di NSF, è un pioniere nell’utilizzo di SBF per misurare le distanze dalle galassie e Jensen è stato uno dei primi ad applicare il metodo alle lunghezze d’onda dell’infrarosso. I due hanno lavorato a stretto contatto con Ma sull’analisi.

GALASSIE ELLITTICHE GIGANTI 

La costante di Hubble è stata oggetto di contesa per decenni, da quando l’autore ha misurato per la prima volta il tasso di espansione locale e ha trovato una risposta sette volte più grande.

Immagine di pubblico dominio

Il problema, allora come adesso, sta nell’individuare la posizione degli oggetti nello spazio che danno pochi indizi su quanto siano lontani.

Gli astronomi nel corso degli anni si sono avvicinati a distanze maggiori, iniziando a calcolare la distanza da oggetti abbastanza vicini che sembrano muoversi leggermente a causa della parallasse, sino a quelle più lontane, come le supernove di tipo Ia, passando per le variabili Cefeidi, la cui luminosità è legata al periodo di variabilità.
Sia per le cefeidi che per le supernove di tipo Ia, è possibile calcolare la luminosità assoluta dal modo in cui variano nel tempo, quindi la distanza può essere calcolata dalla loro luminosità apparente vista dalla Terra.

TEORIE COSMOLOGICHE DA RIVEDERE?

La migliore stima attuale della costante di Hubble proviene da distanze determinate dalle esplosioni di supernove di tipo Ia in galassie lontane, sebbene metodi più recenti diano all’incirca lo stesso numero.

La tecnica che utilizza le fluttuazioni di luminosità superficiale è una delle più recenti e si basa sul fatto che le galassie ellittiche giganti sono vecchie e hanno una popolazione consistente di vecchie stelle – per lo più stelle giganti rosse – che possono essere modellate per dare una luminosità infrarossa media sulla loro superficie.

I ricercatori hanno ottenuto immagini a infrarossi ad alta risoluzione di ciascuna galassia con la Wide Field Camera 3 del telescopio spaziale Hubble e hanno determinato quanto ogni pixel dell’immagine differiva dalla “media”: più uniformi sono le fluttuazioni sull’intera immagine, più lontana è la galassia.

Né Blakeslee né Ma erano sorpresi che il tasso di espansione fosse vicino a quello delle altre misurazioni locali. Ma restano ugualmente confusi dall’evidente conflitto con le stime dell’universo primordiale, un conflitto che secondo molti astronomi significa che le nostre attuali teorie cosmologiche sono sbagliate, o almeno incomplete.

MODELLO LAMBDA-CDM

Le estrapolazioni dall’universo primordiale si basano sulla teoria cosmologica più semplice – chiamato modello Lambda-CDM, o ΛCDM – che impiega solo pochi parametri per descrivere l’evoluzione dell’universo.

Ora, ci si chiede se le incertezze che gli astronomi attribuiscono alle loro misurazioni, che riflettono sia errori sistematici che errori statistici, siano troppo ottimistiche e se le due gamme di stime possano ancora essere riconciliate.

In effetti, uno dei giganti del campo, l’astronomo Wendy Freedman, ha recentemente pubblicato uno studio che fissa la costante di Hubble a 69,8 ± 1,9 km/sec/Mpc, agitando ulteriormente le acque. L’ultimo risultato di Adam Riess, un astronomo che ha condiviso il Premio Nobel 2011 per la fisica per la scoperta dell’energia oscura, riporta 73,2 ± 1,3 km/sec/Mpc.

GALASSIE ENORMI

Il nuovo valore di H0 è un sottoprodotto di altre due indagini di galassie vicine, in particolare, l’indagine MASSIVE di Ma, che utilizza telescopi spaziali e terrestri per studiare in modo esaustivo le 100 galassie più massicce entro circa 100 Mpc dalla Terra. Uno degli obiettivi principali è pesare i buchi neri supermassicci al centro di ciascuno.

Per fare ciò, sono necessarie distanze precise e il metodo SBF è il migliore fino ad oggi. Il team di ricerca MASSIVE ha utilizzato questo metodo l’anno scorso per determinare la distanza da una galassia ellittica gigante, NGC 1453, nella costellazione australe di Eridano. Combinando quella distanza, 166 milioni di anni luce, con ampi dati spettroscopici dai telescopi Gemini e McDonald, hanno concluso che NGC 1453 ha un buco nero centrale con una massa quasi 3 miliardi di volte quella del sole.

Per determinare H0, Blakeslee ha calcolato le distanze SBF a 43 delle galassie nel sondaggio MASSIVE, sulla base di 45-90 minuti di tempo di osservazione con il telescopio spaziale Hubble (HST) per ciascuna galassia. Gli altri 20 provenivano da un altro sondaggio che utilizzava l’HST per visualizzare grandi galassie, in particolare quelle in cui sono state rilevate supernove di tipo Ia.

La maggior parte delle 63 galassie ha un’età compresa tra 8 e 12 miliardi di anni, il che significa che contengono una grande popolazione di vecchie stelle rosse, che sono fondamentali per il metodo SBF e possono anche essere utilizzate per migliorare la precisione dei calcoli della distanza.

JWST

Nell’articolo, Blakeslee ha utilizzato sia le stelle variabili Cefeidi sia una tecnica che utilizza le stelle giganti rosse più luminose in una galassia, denominata la punta del ramo della gigante rossa, o tecnica TRGB, per raggiungere le galassie a grandi distanze. Ed in effetti hanno prodotto risultati coerenti.

Al momento, le due misure discordanti della costante di Hubble dovranno imparare a convivere. Si spera che il James Webb Telescope possa limare queste incongruenze.