L’universo si sta espandendo più velocemente del previsto

Il 3 dicembre, l’umanità ha improvvisamente avuto a portata di mano informazioni che la gente ha voluto per, beh, sempre: le distanze precise delle stelle.

“Si digita il nome di una stella o la sua posizione, e in meno di un secondo si avrà la risposta,” Barry Madore, un cosmologo presso l’Università di Chicago e Carnegie Observatories, ha detto in una chiamata Zoom la scorsa settimana. “Voglio dire …”

“Stiamo bevendo da un idrante in questo momento”, ha detto Wendy Freedman, anche lei cosmologa a Chicago e Carnegie e moglie e collaboratrice di Madore.

“Non posso esagerare quanto sono eccitato”, ha detto in una telefonata Adam Riess della Johns Hopkins University, che ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 2011 per aver scoperto l’energia oscura. “Posso mostrarvi visivamente ciò che mi emoziona così tanto?”. Siamo passati a Zoom in modo che potesse condividere sullo schermo i graziosi grafici dei nuovi dati stellari.

I dati provengono dalla sonda Gaia dell’Agenzia spaziale europea, che ha trascorso gli ultimi sei anni ad osservare le stelle da un trespolo a 1 milione di miglia di altezza. Il telescopio ha misurato le “parallasse” di 1,3 miliardi di stelle – piccoli spostamenti nella posizione apparente delle stelle nel cielo che rivelano le loro distanze. “Le parallasse di Gaia sono di gran lunga le determinazioni di distanza più accurate e precise di sempre”, ha detto Jo Bovy, un astrofisico dell’Università di Toronto.

Meglio di tutto per i cosmologi, il nuovo catalogo di Gaia include le stelle speciali le cui distanze servono come metri di riferimento per misurare tutte le altre distanze cosmologiche. Grazie a questo, i nuovi dati hanno rapidamente acuito il più grande enigma della cosmologia moderna: l’espansione inaspettatamente veloce dell’universo, conosciuta come la tensione di Hubble.

La tensione è questa: Gli ingredienti noti del cosmo e le equazioni che lo governano predicono che attualmente dovrebbe espandersi a una velocità di 67 chilometri al secondo per megaparsec – il che significa che dovremmo vedere le galassie allontanarsi da noi 67 chilometri al secondo più velocemente per ogni megaparsec di distanza in più. Eppure le misurazioni effettive superano costantemente il limite. Le galassie si allontanano troppo velocemente. La discrepanza suggerisce in modo entusiasmante che qualche sconosciuto agente acceleratore potrebbe essere in azione nel cosmo.

“Sarebbe incredibilmente eccitante se ci fosse una nuova fisica”, ha detto Freedman. “Ho un segreto nel mio cuore che spero che ci sia, che ci sia una scoperta da fare lì. Ma vogliamo essere sicuri di avere ragione. C’è del lavoro da fare prima di poterlo dire in modo inequivocabile.”

Questo lavoro comporta la riduzione delle possibili fonti di errore nelle misure del tasso di espansione cosmica. Una delle maggiori fonti di incertezza sono state le distanze dalle stelle vicine, distanze che i nuovi dati di parallasse sembrano inchiodare.

In un documento pubblicato online il 15 dicembre e presentato a The Astrophysical Journal, il team di Riess ha utilizzato i nuovi dati per fissare il tasso di espansione a 73,2 chilometri al secondo per megaparsec, in linea con il loro valore precedente, ma ora con un margine di errore di appena l’1,8%. Questo sembra cementare la discrepanza con il tasso molto più basso previsto di 67.

Freedman e Madore si aspettano di pubblicare la nuova e migliorata misurazione del tasso di espansione cosmica del loro gruppo a gennaio. Anche loro si aspettano che i nuovi dati consolidino, piuttosto che spostare, la loro misurazione, che ha avuto la tendenza ad atterrare più in basso di quella di Riess e di altri gruppi, ma ancora superiore alla previsione.

Da quando Gaia è stato lanciato nel dicembre 2013, ha rilasciato altri due enormi set di dati che hanno rivoluzionato la nostra comprensione del nostro quartiere cosmico. Eppure le prime misurazioni di parallasse di Gaia sono state una delusione. “Quando abbiamo guardato il primo rilascio di dati” nel 2016, ha detto Freedman, “volevamo piangere.”

Un problema imprevisto

Se le parallasse fossero state più facili da misurare, la rivoluzione copernicana avrebbe potuto avvenire prima. Ma già all’epoca gli astronomi conoscevano la parallasse. Se la Terra si muoveva, come sosteneva Copernico, allora si aspettavano di vedere le stelle vicine spostarsi nel cielo mentre lo faceva, proprio come un lampione sembra spostarsi rispetto alle colline sullo sfondo mentre si attraversa la strada. L’astronomo Tycho Brahe non rilevò alcuna parallasse stellare di questo tipo e quindi concluse che la Terra non si muove.

Eppure lo fa, e le stelle si spostano, anche se di poco, perché sono così lontane.

Ci volle fino al 1838 perché un astronomo tedesco di nome Friedrich Bessel rilevasse la parallasse stellare. Misurando lo spostamento angolare del sistema stellare 61 Cygni rispetto alle stelle circostanti, Bessel concluse che era distante 10,3 anni luce. La sua misurazione differiva dal valore reale solo del 10 per cento: le nuove misurazioni di Gaia collocano le due stelle del sistema a 11,4030 e 11,4026 anni luce di distanza, più o meno uno o due millesimi di anno luce.

Il sistema 61 Cygni è eccezionalmente vicino. Le stelle più tipiche della Via Lattea si spostano di appena dieci millesimi di secondo d’arco, appena centesimi di pixel in una moderna fotocamera per telescopi. Rilevare il movimento richiede strumenti specializzati e ultra-stabili. Gaia è stato progettato per questo scopo, ma quando si è acceso, il telescopio ha avuto un problema imprevisto.

Il telescopio funziona guardando in due direzioni contemporaneamente e seguendo le differenze angolari tra le stelle nei suoi due campi di vista, ha spiegato Lennart Lindegren, che ha co-proposto la missione Gaia nel 1993 e ha guidato l’analisi dei suoi nuovi dati di parallasse. Una stima accurata della parallasse richiede che l’angolo tra i due campi di vista rimanga fisso. Ma all’inizio della missione Gaia, gli scienziati hanno scoperto che non è così. Il telescopio si flette leggermente mentre ruota rispetto al sole, introducendo un’oscillazione nelle sue misure che imita la parallasse. Peggio ancora, questo “offset” di parallasse dipende in modi complicati dalla posizione degli oggetti, dai colori e dalla luminosità.

Tuttavia, con l’accumularsi dei dati, gli scienziati di Gaia hanno trovato più facile separare il falso parallasse dal reale. Lindegren e colleghi sono riusciti a rimuovere gran parte dell’oscillazione del telescopio dai dati di parallasse appena rilasciati, elaborando anche una formula che i ricercatori possono usare per correggere le misure finali di parallasse a seconda della posizione, del colore e della luminosità di una stella.

Salendo la scala

Con i nuovi dati in mano, Riess, Freedman e Madore e i loro team sono stati in grado di ricalcolare il tasso di espansione dell’universo. A grandi linee, il modo di misurare l’espansione cosmica è quello di capire quanto distano le galassie lontane e quanto velocemente si allontanano da noi. Le misure di velocità sono semplici; le distanze sono difficili.

Le misure più precise si basano su intricate “scale di distanza cosmica”. Il primo gradino consiste in stelle “candele standard” nella nostra galassia e intorno ad essa, che hanno luminosità ben definite e che sono abbastanza vicine da mostrare la parallasse – l’unico modo sicuro per dire quanto sono lontane le cose senza viaggiare. Gli astronomi poi confrontano la luminosità di queste candele standard con quella di altre più deboli nelle galassie vicine per dedurre le loro distanze. Questo è il secondo gradino della scala. Conoscere le distanze di queste galassie, che sono scelte perché contengono esplosioni stellari rare e luminose chiamate supernove di tipo 1a, permette ai cosmologi di valutare le distanze relative di galassie più lontane che contengono supernove di tipo 1a più deboli. Il rapporto tra le velocità di queste galassie lontane e le loro distanze dà il tasso di espansione cosmica.

Le parallasse sono quindi cruciali per l’intera costruzione. “Se si cambia il primo passo – le parallasse – allora cambia anche tutto ciò che segue”, ha detto Riess, che è uno dei leader dell’approccio della scala delle distanze. “Se si cambia la precisione del primo passo, allora cambia la precisione di tutto il resto”.

Il team di Riess ha usato le nuove parallasse di Gaia di 75 Cefeidi – stelle pulsanti che sono le loro candele standard preferite – per ricalibrare la loro misura del tasso di espansione cosmica.

Freedman e Madore, i principali rivali di Riess in cima alla scala delle distanze, hanno sostenuto negli ultimi anni che le Cefeidi favoriscono possibili passi falsi sui gradini più alti della scala. Quindi, piuttosto che appoggiarsi troppo su di loro, il loro team sta combinando le misurazioni basate su più tipi di stelle a candela standard dal set di dati Gaia, comprese le Cefeidi, le stelle RR Lyrae, le stelle di punta del ramo rosso e le cosiddette stelle al carbonio. Anche se una serie di articoli del team di Madore e Freedman non sono attesi per qualche settimana, hanno notato che i nuovi dati di parallasse e la formula di correzione sembrano funzionare bene. Se usati con vari metodi di tracciare e sezionare le misure, i punti dei dati che rappresentano le Cefeidi e altre stelle speciali cadono ordinatamente lungo linee rette, con pochissima “dispersione” che indicherebbe un errore casuale.

Storia originale ristampata con il permesso di Quanta Magazine, una pubblicazione editoriale indipendente della Simons Foundation la cui missione è quella di migliorare la comprensione pubblica della scienza coprendo gli sviluppi e le tendenze della ricerca in matematica e nelle scienze fisiche e della vita.

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