A seconda dei metodi utilizzati, gli astronomi non ottengono le stesse cifre quando stimano la velocità di espansione del nostro Universo. I ricercatori dell’EPFL hanno recentemente trovato uno standard di misurazione cosmica che fornisce calcoli di un’accuratezza e affidabilità senza precedenti.
L’universo si sta espandendo. Da alcuni anni questa domanda è oggetto di dibattito all’interno della comunità mondiale degli astrofisici e dei cosmologi. Questo perché i loro calcoli differiscono a seconda che stimino il tasso di espansione cosmica basandosi sull’eco del Big Bang (il fondo cosmico a microonde) o sulle stelle e le galassie di oggi. Questo fenomeno è noto come tensione di Hubble. Uno studio dell’EPFL pubblicato oggi sulla rivista Astronomy & Astrophysics fornisce un nuovo elemento.
Il team guidato da Richard Anderson, che dirige l’unità di ricerca Stellar Standard Candles and Distances presso l’Istituto di Fisica della Scuola, ha effettuato la calibrazione più accurata finora delle cefeidi, stelle la cui luminosità fluttua in un periodo definito. Sebbene siano comunemente utilizzate in cosmologia come strumento per misurare le distanze astronomiche, i ricercatori ne hanno migliorato notevolmente l’affidabilità. Applicandolo ai dati raccolti dal satellite Gaia dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), sono riusciti a calcolare la velocità di espansione dell’Universo con una precisione senza precedenti. Conosciuta come costante di Hubble (o H0), questa velocità di espansione è espressa in km/s/Mpc, ovvero chilometri al secondo per megaparsec - un megaparsec corrisponde a circa 3,26 milioni di anni luce.
Lo studio ha utilizzato una "scala di distanza cosmica". Basato sui principi della trigonometria, questo metodo consente di effettuare misurazioni a tappe. La calibrazione assoluta della luminosità delle Cefeidi è il primo passo. Viene poi utilizzata come punto di riferimento per calcolare la distanza di oggetti più lontani, come le supernove, potenti esplosioni di stelle alla fine della loro vita. Con questa tecnica, i ricercatori hanno confermato i risultati ottenuti in precedenza dal team SH0ES (Supernovae H0 for the Equation of State of dark energy) guidato dal premio Nobel Adam Riess (fisica, 2011), che ha collocato la costante di Hubble a 73,0 +/- 1,0 km/s/Mpc.
Prima luce
Tuttavia, questo non è l’unico metodo di calcolo possibile. La costante di Hubble può essere determinata anche analizzando il fondo cosmico a microonde, una rappresentazione spettrale della primissima luce emessa dall’Universo dopo il Big Bang, più di 13 miliardi di anni fa, per la quale il satellite europeo Planck è riuscito a fornire dati più completi. Utilizzando questo metodo, i calcoli danno una velocità di espansione di 67,4 +/- 0,5 km/s/Mpc.
C’è quindi una divergenza di quasi sei chilometri al secondo per megaparsec (5,6 km/s/Mpc) a seconda che si calcoli dal fondo cosmico a microonde (Universo primordiale) o dal metodo della scala cosmica (Universo recente). Questo è ciò che viene chiamato ed è alla base della "tensione di Hubble".
Tuttavia, supponendo che i risultati di entrambi i metodi siano stati testati e siano corretti, ciò significa che è la nostra comprensione dell’Universo e delle leggi fisiche che lo governano a non essere accurata. Si tratta di una sfida importante, che rende ancora più cruciale l’infallibilità dei metodi utilizzati.
Non solo abbiamo confermato un tasso di espansione di 73 km al secondo e un megaparsec, ma abbiamo fornito le misurazioni più accurate e affidabili mai effettuate", afferma Richard Anderson. Abbiamo ottenuto questi risultati cercando le Cefeidi in ammassi stellari di diverse centinaia di stelle e verificando se si muovevano in modo coordinato attraverso la Via Lattea. Con questo stratagemma siamo riusciti a sfruttare al meglio i dati del satellite Gaia e le misure di parallasse, beneficiando al contempo della maggiore precisione fornita dalle numerose stelle dell’ammasso. Questo ci ha permesso di fornire la base più solida su cui costruire la scala delle distanze.
Rivedere i concetti fondamentali
Perché una differenza di pochi chilometri al secondo per megaparsec, che può sembrare insignificante sulla scala dell’universo, è così importante? Questa differenza è fondamentale", spiega Richard Anderson. Immaginate di voler realizzare un tunnel scavando da due lati diversi della montagna. Se avete compreso la natura della roccia e i vostri calcoli sono corretti, le due macchine si uniranno. In caso contrario, c’è un problema, o nelle misurazioni o nella comprensione della montagna stessa. È un po’ quello che succede con la costante di Hubble. Più i nostri calcoli sono affidabili, più questa differenza di risultati indica che non abbiamo capito cos’è l’Universo, che non è proprio come pensavamo".
Questa differenza ha molte implicazioni. Mette in discussione alcuni fondamenti, come la natura dell’energia oscura, dello spazio-tempo e della gravitazione. "Ci costringe a rivedere nozioni fondamentali, da cui dipende la nostra comprensione generale della fisica", aggiunge il ricercatore.
Lo studio offre anche altri vantaggi. La precisione di queste misurazioni ci permette di comprendere meglio la geometria della nostra galassia, la Via Lattea", afferma Mauricio Cruz Reyes, dottorando del gruppo di Anderson e primo autore dello studio. Grazie alla precisa calibrazione che abbiamo sviluppato, saremo in grado di misurare meglio la forma e le dimensioni della Via Lattea, che è una galassia a disco piatto, ma anche le distanze da altre galassie, ecc. Inoltre, confrontando i dati di Gaia con quelli di vari altri telescopi, abbiamo potuto confermare la loro elevata affidabilità".
Riferimenti
"A 0.9% calibration of the Galactic Cepheid luminosity scale based on Gaia DR3 data of open clusters and Cepheids", Mauricio Cruz Reyes e Richard I. Anderson. pubblicato su Astronomy&Astrophysics il 4 aprile 2023.
