Un gruppo di fisici dell’Illinois e dell’Università di Chicago hanno studiato un nuovo metodo per misurare l’espansione dell’Universo.
Da circa un secolo, gli scienziati sanno che l’Universo è in uno stato di costante espansione. In onore degli scienziati che lo hanno dimostrato in modo definitivo, questa espansione è diventata nota come costante di Hubble (o costante di Hubble-Lemaitre). Oggi, gli scienziati utilizzano due tecniche principali per misurare il tasso di espansione: la radiazione cosmica di fondo (CMB) e la scala delle distanze cosmiche. La prima si basa sulle misurazioni del redshift della CMB, la radiazione relitta rimasta dal Big Bang, mentre la seconda si basa sulle misurazioni di parallasse e redshift utilizzando stelle variabili e supernove (note anche come “candele standard”). L’unico problema è che i due metodi non concordano, dando luogo a quella che è nota come la “tensione di Hubble”. Questo problema è considerato uno dei più grandi misteri cosmologici che gli scienziati si trovano ad affrontare oggi. Fortunatamente, stanno emergendo nuovi metodi che potrebbero aiutare a risolvere questa “tensione” e a mettere ordine nel Modello Standard della Cosmologia. In un recente studio, un team di astrofisici, cosmologi e fisici dell’Università dell’Illinois e dell’Università di Chicago ha proposto un nuovo metodo che utilizza le minuscole increspature dello spaziotempo note come onde gravitazionali (GW).
Nuove misurazioni grazie alle onde gravitazionali
Gli scienziati che sperano di risolvere la Tensione di Hubble hanno proposto diverse soluzioni, che vanno dall’energia oscura primordiale (EDE) e dalle interazioni tra materia oscura (DM) e neutrini fino alle dinamiche evolutive dell’energia oscura. Negli ultimi anni, anche la scoperta delle onde gravitazionali è emersa come un mezzo per risolvere la Tensione, fornendo un nuovo modo per misurare l’espansione cosmica. Originariamente previste dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein, le onde gravitazionali sono increspature causate nel tessuto dello spaziotempo dalla fusione di oggetti massicci (stelle di neutroni e/o buchi neri).
300 eventi GW nell’universo
Sono stati confermati per la prima volta nel 2016 dagli scienziati del Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO). Grazie a strumenti aggiornati e alla cooperazione internazionale, la collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) ha rilevato più di 300 eventi GW. In questo periodo, gli astronomi hanno trovato il modo di utilizzare questi eventi per esplorare fenomeni cosmologici, tra cui la misurazione dell’espansione del cosmo. Nella ricerca attuale, il team ha trovato un modo per migliorare queste misurazioni sfruttando lo sfondo cosmico di onde gravitazionali (GWB), causato da collisioni astrofisiche che la rete LVK non è ancora in grado di rilevare con sufficiente sensibilità.
Lo chiamano metodo della “sirena standard stocastica”, poiché le collisioni che costituiscono il fondo di onde gravitazionali avvengono in modo stocastico. Daniel Holz, professore all’Università di Chicago e coautore dello studio, ha spiegato: “Non capita tutti i giorni di scoprire uno strumento completamente nuovo per la cosmologia. Dimostriamo che, utilizzando il ronzio gravitazionale di fondo generato dalla fusione di buchi neri in galassie distanti, possiamo ricavare informazioni sull’età e la composizione dell’Universo. Si tratta di una direzione entusiasmante e del tutto innovativa, e non vediamo l’ora di applicare i nostri metodi a futuri set di dati per contribuire a vincolare la costante di Hubble, così come altre quantità cosmologiche chiave.”
I primi test del metodo
A titolo di prova di principio, il team ha applicato il proprio metodo ai dati attuali della Collaborazione LVK. Hanno scoperto che la mancata rilevazione del fondo di onde gravitazionali fornisce prove contro l’ipotesi di una lenta espansione cosmica. Hanno quindi combinato il loro metodo con le misurazioni della costante di Hubble basate su singole collisioni di buchi neri per ottenere un tasso più accurato.
“Poiché osserviamo singole collisioni di buchi neri, possiamo determinare la frequenza con cui queste collisioni si verificano nell’Universo“, ha affermato Cousins. “Sulla base di queste frequenze, ci aspettiamo che ci siano molti altri eventi che non possiamo osservare, che viene chiamato sfondo di onde gravitazionali“. Questo ha dimostrato che, a valori più bassi della costante di Hubble, il volume totale di spazio in cui avvengono le collisioni è minore. Ciò implicherebbe che la densità delle collisioni tra oggetti sia maggiore, aumentando l’intensità del segnale GWB al punto da poter essere rilevato dagli strumenti attuali.
“Questo risultato è molto significativo: è importante ottenere una misurazione indipendente della costante di Hubble per risolvere l’attuale discrepanza“, ha aggiunto il coautore Nicolás Yunes, direttore fondatore dell’Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU). “Il nostro metodo rappresenta un approccio innovativo per migliorare l’accuratezza delle deduzioni della costante di Hubble utilizzando le onde gravitazionali.“
Una possibile risoluzione alla tensione di Hubble
Grazie all’architettura migliorata di LVK, gli scienziati stimano che la GWB (Geomagnetic Wave Breaker) verrà rilevata entro i prossimi sei anni. Se e quando ciò accadrà, il metodo del team potrebbe essere utilizzato per migliorare ulteriormente le misurazioni della costante di Hubble. Fino ad allora, il metodo della sirena stocastica potrebbe essere utilizzato per porre dei limiti superiori ai valori più elevati della costante di Hubble, stabilendo così dei limiti superiori per la GWB e consentendo agli scienziati di studiarla prima che venga effettuata una rilevazione completa.
“Questo dovrebbe aprire la strada all’applicazione di questo metodo in futuro, man mano che aumenteremo la sensibilità, definiremo meglio il fondo di onde gravitazionali e forse riusciremo persino a rilevarlo“, afferma Cousins. “Includendo queste informazioni, ci aspettiamo di ottenere risultati cosmologici migliori e di essere più vicini a risolvere la tensione di Hubble.“
Per saperne di più
- Leggi l’articolo originale su Universe Today
- Leggi il paper scientifico intitolato “Stochastic Siren: Astrophysical Gravitational-Wave Background Measurements of the Hubble Constant” pubblicato su Physical Review Letters
