La "tensione di Hubble" esiste realmente: parola di Nobel! Nuove conferme dal telescopio James Webb

L’Universo sta accelerando la sua espansione. Questo fenomeno ancora inspiegabile è stato scoperto grazie alle osservazioni del telescopio Hubble. La correttezza di questa scoperta è ora confermata dalle osservazioni del telescopio James Webb.

Evoluzione Universo — Rappresentazione dell'evoluzione dell'Universo dal Big Bang (a sinistra) all'Universo locale (a destra). Credit: NASA'S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

Il premio Nobel per la Fisica, Adam Riess, torna a far parlare di sè in un articolo pubblicato la scorsa settimana sulla rivista Astrophysical Journal.

Nel 2011, insieme a Perlmutter e Schmidt, Riess ha ricevuto il premio Nobel per la Fisica per aver scoperto che l’Universo sta accelerando la sua espansione.

Utilizzando le misurazioni effettuate con il telescopio Hubble, gli astronomi hanno fatto una scoperta sconcertante: l’espansione dell’Universo è accelerata.

Si tratta di una scoperta sconcertante, ed ancora in cerca di spiegazione, poiché secondo il “modello cosmologico standard”, cioè il modello che meglio descrive nascita, evoluzione e proprietà dell’Universo, l’espansione avviene ad una velocità costante di circa 68 km/s per megaparsec.

Il parsec è un'unità di misura delle distanze, pari a circa 3.26 anni luce. 1 megaparsec equivale a 1 milione di parsec.

In parole semplici, la velocità con cui le galassie si allontanano in questa espansione dell'Universo è proporzionale alla distanza. La costante di proporzionalità è chiamata costante di Hubble (H0) e, nel modello standard, ha un valore di circa 68 km/s per megaparsec.

Dove sta il problema?

Il telescopio Hubble ha misurato la distanza (D) di numerose galassie. Conoscendo di queste galassie anche la velocità di allontanamento (V) è stato possibile misurare un valore medio della costante di Hubble H0 = V/D.

Con sorpresa è stato trovato un valore H0 = 73 km/s per megaparsec maggiore del valore H0 = 68 km/s per megaparsec del modello standard.

SNIa — Esempio di variazione della luminosità di una supernova di tipo Ia. Dopo un rapido aumento di luminosità, fino ad un valore massimo, la supernova diventa nei giorni successivi sempre meno luminosa. Dal valore di luminosità massima si ricava la distanza a cui si trova la supernova e quindi la distanza della galassia che la ospita.

Per i non addetti ai lavori questa differenza di pochi km/s per megaparsec potrebbe sembrare trascurabile. Al contrario, questa differenza ha notevoli implicazioni.

Ad esempio, un'espansione accelerata implica una minore età per l'Universo (più giovane di quasi 1 miliardo di anni), ma soprattutto è il segnale che non abbiamo ancora del tutto compreso il meccanismo di evoluzione dello stesso Universo, per cui il "modello cosmologico standard" va revisionato.

La differenza tra il valore della costante di Hubble cosmologica e quella dell’Universo locale è nota come “tensione di Hubble”.

La spiegazione più semplice che avrebbe potuto risolvere questa tensione è che le misure fatte da Hubble non siano state sufficientemente precise ed accurate. Errori di misurazione e magari, anche una scelta non accurata degli indicatori di distanza, avrebbero potuto portare ad errori di misura della H0 da parte di Hubble.

Cosa ha trovato il team di Riess

La doccia fredda per i sostenitori del "modello standard" arriva dal recente lavoro pubblicato dal Nobel Adam Riess e dal suo team.

Cefeidi — Due immagini della stessa stella cefeide a distanza di tempo. Le cefeidi sono soggette a pulsazioni che ne fanno variare la luminosità in modo periodico. Dal periodo di variazione si ricava la luminosità poi usata per stimarne la distanza a cui si trova la cefeide e, quindi, della galassia che la ospita.

Questo team di ricerca ha iniziato a misurare con il più potente telescopio James Webb gli stessi indicatori di distanza osservati da Hubble. Al momento sono arrivati a misurarne ⅓ di quelli misurati da Hubble.

Tuttavia, già questo sottocampione riproduce gli stessi risultati (peraltro molto più precisi) di quelli ottenuti con Hubble. Le nuove misure di James Webb danno un valore di H0 = 72.6 in ottimo accordo col valore di 72.8 km/s/Mpc misurato da Hubble.

L'espansione dell'Universo oggi (Universo locale) sta avvenendo più rapidamente che agli inizi (Universo primordiale).

Ma in che modo si misura l'espansione dell'Universo.

Come si misura l'espansione dell'Universo

Abbiamo precedentemente visto come per misurare la costante di Hubble servano due ingredienti: velocità di allontanamento e distanza delle galassie.

Come si misura la distanza

Ciò che praticamente si fa è andare a cercare all'interno di una data galassia alcune tipologie specifiche di stelle, che per le loro proprietà sono chiamate "indicatori di distanza". Se ne misura la distanza e si assume che questa sia appunto la distanza a cui si trova la galassia che la ospita.

Due dei principali indicatori di distanza sono le "stelle Cefeidi" e le "Supernovae di tipo Ia".

Le Cefeidi sono stelle pulsanti per cui esiste una relazione nota tra il periodo di pulsazione e la luminosità intrinseca. Misurando il periodo di pulsazione di ricava la luminosità. Le Supernovae di tipo Ia, visibili anche nelle galassie più lontane, durante l'esplosione raggiungono sempre la stessa luminosità massima, nota agli astronomi.

La proprietà di questi corpi celesti è che hanno un valore intrinseco di luminosità ben noto e misurabile.

Pertanto, misurandone la brillantezza e conoscendo la luminosità intrinseca (dal periodo di pulsazione per le Cefeidi e dal picco di brillantezza per le supernovae Ia, è possibile derivarne la distanza, che è poi assunta come distanza della galassia.

Come si misura la velocità

La velocità con cui le galassie si stanno allontanando viene misurata grazie all’effetto Doppler.

La radiazione emessa da una galassia che si allontana si sposta verso lunghezze d’onda maggiori, quindi verso il rosso. Questo spostamento verso il rosso viene chiamato “redshift” in inglese.

Primordial galaxies — Nella foto è riportato un campo stellare osservato dal James Webb in cui sono state scoperte galassie lontanissime. Alcune di queste sono cerchiate e ingrandite. Si noti il loro colore rosso dovuto al redshift per l'elevatissiva velocità di allontanamento. Gli oggetti di colore blu in tre degli ingrandimenti sono semplicemente lungo la stessa visuale ma molto più vicini a noi. Credit: NASA, ESA, CSA, I. LABBE

Per esemplificare, assumendo che una galassia emetta ad esempio prevalentemente luce gialla, più velocemente questa si allontana più il suo colore si sposta dal giallo all’arancione al rosso.

Poiché le galassie più lontane nell’Universo (le galassie primordiali) sono quelle che si allontanano più velocemente, il loro colore è prevalentemente rosso. Per poterle osservare serve allora un telescopio particolarmente sensibile alla radiazione infrarossa, come appunto il James Webb.

L'osservazione da parte di James Webb dei rimanenti 2/3 di indicatori di distanza già osservati da Hubble continuerà, ma già da subito i ricercatori teorici possono metter mano al "modello cosmologico standard" revisionandolo in modo da riuscire a giustificare queste nuove evidenze osservative fornite da Hubble e James Webb.