I baritoni delle giganti rosse perfezionano le misure di distanza cosmica

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La Grande Nube di Magellano o LMC. Crediti: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/SMASH/D. Nidev
La Grande Nube di Magellano o LMC. Crediti: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/SMASH/D. Nidever (Montana State University). Elaborazione delle immagini: Travis Rector (University of Alaska Anchorage), Mahdi Zamani e Davide de Martin.

Un nuovo sguardo alle giganti rosse fornisce informazioni fondamentali per la misurazione delle distanze cosmiche e permette di misurare l’espansione dell’Universo con la massima precisione.

In un Universo in continua espansione, misurare le distanze cosmiche è come cercare di trovare un righello affidabile per misurare un tessuto ampio ed elastico. Uno degli strumenti utilizzati dagli astrofisici è la costante di Hubble (H0). Questa misura il tasso di espansione dell’Universo e ne definisce l’età e le dimensioni osservabili.

Ma c’è disaccordo sul valore di H0, a causa di misure contraddittorie ottenute da vari oggetti celesti. Questo rivela che la nostra comprensione della fisica fondamentale dell’Universo è incompleta. La posta in gioco è alta e la chiave per trovare una soluzione è migliorare notevolmente l’accuratezza delle misure di distanza basate sulle stelle.

Un recente studio condotto da Richard I. Anderson (professore all’EPFL), Nolan Koblischke (ex studente di ricerca estiva dell’EPFL, ora all’Università di Toronto) e Laurent Eyer (Università di Ginevra) ha permesso di perfezionare le misurazioni delle distanze cosmiche utilizzando i segnali sonori emessi dalle giganti rosse: "Abbiamo scoperto che le vibrazioni acustiche delle giganti rosse ci dicono come misurare al meglio le distanze cosmiche utilizzando il metodo TRGB (Tip of the Red Giant Branch)", afferma Richard I. Anderson.

Misurare le distanze cosmiche con le giganti rosse

Spieghiamo alcuni termini. Le "giganti rosse" sono stelle che invecchiano. Assumono una tonalità rossastra quando consumano l’idrogeno nel loro nucleo e utilizzano l’idrogeno proveniente dall’esterno, aumentando il loro volume e rendendole più fredde.

Nei diagrammi astronomici, questa evoluzione porta al "ramo delle giganti rosse" o alla deviazione dovuta all’aumento della luminosità della stella. Il picco del ramo delle giganti rosse, o TRGB, è un punto critico in cui queste stelle bruciano l’elio, invertendo l’evoluzione della loro luminosità.

Il TRGB, al di sopra del quale ci sono meno stelle luminose sul diagramma, serve come "candela standard" per le misure di distanza cosmica: confrontando la sua luminosità nota con quella osservata in galassie lontane, gli astronomi possono calcolare la distanza, un po’ come stimare la distanza di una lampadina in base alla sua luminosità.

Una canzone nel buio

I ricercatori hanno analizzato i dati del progetto Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) e della missione Gaia dell’ESA per studiare le giganti rosse nella Grande Nube di Magellano (LMC), una galassia vicina che orbita attorno alla Via Lattea e funge da laboratorio per la comprensione della fisica delle stelle.

A sorpresa, gli scienziati hanno scoperto che la luminosità di tutte le stelle a livello di TRGB varia periodicamente: le onde sonore si muovono attraverso le stelle come terremoti, facendole vibrare. Sebbene queste vibrazioni fossero già note, la loro importanza per la misurazione della distanza non era stata presa in considerazione. Ma ora stanno permettendo ai ricercatori di distinguere le stelle in base alla loro età, offrendo un approccio più sfumato alla misurazione delle distanze nell’Universo.

Richard I. Anderson spiega: "Le giganti rosse più giovani, vicine al TRGB, sono un po’ meno luminose delle loro cugine più vecchie. Le vibrazioni acustiche che osserviamo come variazioni di luminosità ci permettono di capire con che tipo di stella abbiamo a che fare: le stelle più vecchie vibrano a una frequenza più bassa, proprio come un baritono ha una voce più bassa di un tenore".

Questa distinzione è essenziale per garantire le misure di distanza molto precise necessarie per la cosmologia e per ottenere la migliore mappa dell’Universo locale, poiché le giganti rosse esistono praticamente in tutte le galassie.

Questo studio identifica anche diversi miglioramenti al metodo TRGB che sono essenziali per comprendere i recenti dibattiti sulla tensione della costante di Hubble. "Ora che siamo in grado di distinguere l’età delle giganti rosse che compongono il TRGB, possiamo migliorare la misurazione della costante di Hubble che ne deriva", afferma Richard I. Anderson. Questi miglioramenti ci permetteranno di verificare la tensione della costante di Hubble e potrebbero portare a nuove scoperte sui processi fisici fondamentali che determinano l’evoluzione dell’Universo".

Riferimenti

Richard I. Anderson, Nolan W. Koblischke, Laurent Eyer. Le Giganti Rosse di piccola ampiezza chiariscono la natura della Punta del Ramo delle Giganti Rosse come candela standard. The Astrophysical Journal Letters 963 (2), L43 (07 marzo 2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad284d