Le stelle giganti rosse invecchiate sono al centro di un nuovo metodo che misura l’attuale tasso di espansione dell’Universo.Credit: NASA / ESA / SPL
Per gran parte di questo decennio, i due indicatori più precisi del tasso di espansione dell’Universo sono stati in evidente disaccordo. Ora, una tecnica indipendente attesissima che i cosmologi speravano risolvesse l’enigma sta invece aggiungendo alla confusione.,
In results unveiled1 on 16 July and due to appear in the Astrophysical Journal, un team guidato dall’astronomo Wendy Freedman presso l’Università di Chicago in Illinois presenta una tecnica che misura l’espansione utilizzando stelle giganti rosse. Aveva promesso di sostituire un metodo che gli astronomi hanno utilizzato per più di un secolo — ma per ora, la misurazione della velocità non è riuscito a risolvere la controversia perché cade a metà strada tra i due valori controversi.
” L’universo ci sta solo prendendo in giro a questo punto, giusto?”ha twittato un astrofisico sulla carta.,
“In questo momento, stiamo cercando di capire come tutto si adatta”, ha detto Freedman a Nature. Se la discrepanza della velocità cosmica non viene risolta, alcune delle teorie di base che i cosmologi usano per interpretare i loro dati — come le ipotesi sulla natura della materia oscura-potrebbero essere sbagliate. ” La fisica fondamentale è in bilico”, dice Freedman.,
Tachimetro cosmico
L’astronomo americano Edwin Hubble e altri scoprirono nel 1920 che l’Universo si sta espandendo mostrando che la maggior parte delle galassie si sta allontanando dalla Via Lattea — e più sono lontane, più velocemente si stanno allontanando. Il rapporto approssimativamente costante tra velocità e distanza divenne noto come costante di Hubble. Per ogni megaparsec aggiuntivo (circa 3,26 milioni di anni luce) di distanza, Hubble ha scoperto che le galassie si ritiravano 500 chilometri al secondo più velocemente — quindi la costante di Hubble era 500 in unità di chilometri al secondo per megaparsec.,
Nel corso dei decenni, gli astronomi hanno sostanzialmente rivisto al ribasso la stima man mano che le tecniche di misurazione miglioravano. Freedman ha aperto la strada all’uso del telescopio spaziale Hubble negli 1990 per misurare (appropriatamente) la costante di Hubble e ha calcolato un valore di circa 72 con un margine di errore di circa 10%. Un team guidato dal premio Nobel Adam Riess presso la Johns Hopkins University di Baltimora, Maryland, ha effettuato le misurazioni più precise finora, e il suo ultimo valore è 74, con un margine di errore di appena 1.91% 2.
Ma uno sforzo separato negli ultimi dieci anni ha gettato una chiave nelle opere., Gli scienziati della missione Planck dell’Agenzia Spaziale europea hanno mappato la radiazione reliquia del Big Bang, chiamata fondo cosmico a microonde, e l’hanno usata per calcolare le proprietà di base dell’Universo. Usando ipotesi teoriche standard sul cosmo, hanno calcolato la costante di Hubble come 67.8.
La differenza tra 67.8 e 74 potrebbe sembrare piccola, ma è diventata statisticamente significativa poiché entrambe le tecniche sono migliorate., Quindi, i teorici hanno iniziato a chiedersi se la ragione della discrepanza risieda nella teoria standard della cosmologia, chiamata ΛCDM, che presuppone la presenza di particelle invisibili di materia oscura e una misteriosa forza repulsiva chiamata energia oscura. Ma hanno lottato per trovare un tweak alla teoria che potrebbe risolvere il problema e ancora essere coerente con tutto ciò che si sa circa l’Universo. “È difficile guardare ΛCDM e vedere dove sono i fili sciolti, che se li tiri, lo sbroglieranno”, dice Rocky Kolb, un cosmologo dell’Università di Chicago.,
La tecnica di Freedman aggiorna un elemento chiave del metodo di misurazione Hubble stabilito — e produce un valore di 69.8.
La parte difficile della misurazione della costante di Hubble è misurare in modo affidabile le distanze delle galassie. La prima stima di Hubble dipendeva dalla misurazione delle distanze delle galassie vicine osservando singole stelle luminose chiamate Cefeidi. L’astronoma Henrietta Swan Leavitt aveva scoperto all’inizio del XX secolo che la luminosità effettiva di queste stelle era prevedibile., Quindi, misurando quanto apparivano luminose su lastre fotografiche, poteva calcolare quanto fossero lontane le stelle. Gli astronomi chiamano tali segnali candele standard.
Ma da allora i ricercatori hanno cercato di trovare candele standard migliori delle Cefeidi, che tendono ad esistere in regioni affollate e piene di polvere che possono distorcere le stime della loro luminosità., “L’unico modo che abbiamo per andare a fondo su questo è avere metodi indipendenti, e fino a questo punto non abbiamo avuto controlli sulle Cefeidi”, dice Freedman, che ha trascorso gran parte della sua carriera migliorando la precisione e l’accuratezza delle misurazioni delle cefeidi. ” Sa dove sono sepolti tutti i corpi”, dice Kolb.
Freedman e i suoi colleghi hanno aggirato del tutto le Cefeidi, e invece hanno usato come candele standard giganti rosse — vecchie stelle che sono diventate gonfie — insieme a esplosioni di supernove, che fungono da segnali per galassie più lontane.,
Calcolo gigante
Le giganti rosse sono più comuni delle Cefeidi e sono facili da individuare nelle regioni periferiche delle galassie, dove le stelle sono ben separate l’una dall’altra e la polvere non è un problema. La loro luminosità varia ampiamente-ma, nel suo complesso, la popolazione gigante rossa di una galassia ha una caratteristica utile. La luminosità delle stelle aumenta nel corso di milioni di anni fino a raggiungere il massimo, e poi improvvisamente scende. Quando gli astronomi tracciano un grande gruppo di stelle per colore e luminosità, le giganti rosse sembrano una nuvola di punti con un bordo tagliente., Le stelle a quel bordo possono quindi servire come candele standard.
Il team di Freedman ha utilizzato la tecnica per calcolare le distanze da 18 galassie e ha ottenuto una stima della costante di Hubble che per la prima volta ha una precisione paragonabile a quella degli studi basati su Cefeidi.
Riess dice che lo studio della gigante rossa si basa ancora su ipotesi sulla quantità di polvere nelle galassie, in particolare nella Grande nube di Magellano, che lo studio ha usato come punto di ancoraggio., ” La polvere è molto difficile da stimare, e sono sicuro che ci saranno molte discussioni ” sul perché l’approccio degli autori porti a una stima inferiore della costante di Hubble, dice.
Il risultato è statisticamente compatibile con la previsione di Planck e con il calcolo Cefeide di Riess — il che significa che le barre di errore dei calcoli si sovrappongono — e la precisione della tecnica migliorerà man mano che i dati sulle giganti rosse si accumulano. Potrebbero battere le Cefeidi nel prossimo futuro, dice Kolb.
L’ago potrebbe spostarsi verso uno degli altri valori., Oppure potrebbe rimanere fermo, e le altre tecniche potrebbero eventualmente convergere ad esso. Per ora, i cosmologi hanno molto da risolvere.