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Una crisi di dimensioni cosmiche

Un gruppo di astronomi, guidato dall'Università della California Davis, ha effettuato una nuova misura della costante di Hubble il cui risultato suggerisce che l’universo si stia espandendo più velocemente di quanto previsto dalle misure delle anisotropie del fondo cosmico a microonde. I ricercatori hanno usato il telescopio spaziale Hubble, in combinazione con il sistema di ottica adattiva presente al W. M. Keck Observatory, per osservare tre sistemi di lenti gravitazionali

     24/10/2019
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Per la prima volta, il sistema di ottica adattiva dell’osservatorio W. M. Keck è stato utilizzato per ottenere una misura della costante Hubble, osservando tre sistemi di lenti gravitazionali, compreso HE0435-1223 (riportato in questa immagine). Crediti: W. M. Keck

Un gruppo di astronomi, guidato dall’Università della California Davis, ha raccolto nuovi dati la cui analisi ha portato a risultati che rinfocolano il già acceso dibattito su quanto velocemente si stia espandendo l’universo. La nuova misura della costante di Hubble effettuata dal gruppo, eseguita con un metodo diverso da precedenti misurazioni, suggerisce che l’universo si stia espandendo più velocemente del previsto. I ricercatori hanno usato il telescopio spaziale Hubble (Hst), in combinazione con il sistema di ottica adattiva presente al W. M. Keck Observatory, per osservare tre sistemi di lenti gravitazionali. Si tratta della prima volta che la tecnologia di ottica adattiva a terra è stata utilizzata per ottenere la costante di Hubble.

«Quando ho iniziato a lavorare su questo problema, più di 20 anni fa, la strumentazione disponibile limitava la quantità di dati utili che si potevano ottenere dalle osservazioni», afferma il co-autore Chris Fassnacht, professore di fisica presso la UC Davis. «In questo progetto, stiamo usando per la prima volta l’ottica adattiva dell’Osservatorio Keck per effettuare l’analisi completa. Era da molti anni che mi sentivo che le osservazioni con ottica adattiva avrebbero potuto contribuire significativamente a questa misura».

Per escludere qualsiasi pregiudizio, il team ha condotto un’analisi in cieco: durante l’elaborazione, hanno tenuto nascosto l’esito finale anche a sé stessi, fino a quando non sono stati convinti di aver affrontato quante più possibili fonti di errore potevano ipotizzare. Ciò ha impedito loro di apportare eventuali modifiche per raggiungere il presunto valore “corretto”.

«Quando abbiamo ritenuto di esserci occupati di tutti i possibili problemi con l’analisi, abbiamo guardato l’esito della misura con la regola di pubblicare qualunque valore trovato, anche se assurdo. È stato un momento di tensione, molto emozionante», afferma Geoff Chen, primo autore del lavoro.

La scoperta ha rivelato un valore coerente con le misurazioni della costante di Hubble ricavate dalle osservazioni di oggetti “locali” – vicino alla Terra – come le supernove di tipo Ia vicine o i sistemi di lenti gravitazionali. Il team di Chen ha proprio usato questi ultimi oggetti nella loro analisi in cieco.

I risultati del team si aggiungono a quelli che sostengono la crescente evidenza che esiste un problema con il modello cosmologico standard, il quale prevede che l’universo all’inizio della sua storia si sia espanso molto rapidamente, per poi rallentare a causa dell’attrazione gravitazionale della materia oscura, e che ora l’espansione stia accelerando di nuovo a causa dell’energia oscura, una forza ancora misteriosa.

Questo modello della storia dell’espansione dell’universo deriva dalle misure tradizionali della costante di Hubble, derivate dall’osservazione del fondo cosmico a microonde (Cmb), la cosiddetta radiazione fossile del Big Bang, emessa quando l’universo aveva solo 380mila anni.

Rappresentazione artistica del modello cosmologico standard. Crediti: Bicep2 Collaboration/Cern/Nasa

Di recente, molti gruppi hanno iniziato a utilizzare tecniche diverse e a studiare diverse parti dell’universo per ottenere la costante di Hubble, scoprendo che i valori ottenuti da osservazioni “locali” rispetto a quelli di osservazioni della Cmb, definite “distanti”, non sono in accordo.

«Qui sta la crisi della cosmologia», afferma Fassnacht. «Mentre la costante di Hubble è costante ovunque nello spazio, in un determinato momento, non sembra essere costante nel tempo. Quindi, quando stiamo confrontando le costanti di Hubble che derivano da varie tecniche, stiamo confrontando l’universo primordiale (usando osservazioni distanti) rispetto all’universo moderno (usando osservazioni locali vicine)».

Ciò suggerisce che ci potrebbe essere un problema con le misurazioni del Cmb, che tuttavia il team ritiene improbabile, oppure che il modello standard di cosmologia debba essere modificato in qualche modo usando una nuova fisica per correggere la discrepanza.

Ma vediamo meglio come il gruppo ha effettuato la nuova stima della costante di Hubble.

Il W. M. Keck Observatory è un osservatorio astronomico costituito dai due telescopi riflettori gemelli Keck situato a 4145 metri di altezza sulla sommità del vulcano Mauna Kea, nelle isole Hawaii. Insieme a numerosi altri osservatori internazionali, costituisce i Mauna Kea Observatories. Crediti: W. M. Keck Observatory

Utilizzando il sistema di ottica adattiva dell’osservatorio Keck con la Near-Infrared Camera, in particolare con lo strumento di seconda generazione Nirc2 montato sul telescopio Keck II, Chen e il suo team hanno ottenuto misurazioni locali di tre noti sistemi quasar con lenti gravitazionali: PG1115 + 080, HE0435-1223 e RXJ1131- 1231.

I quasar sono galassie estremamente luminose e attive, spesso con getti alimentati da un buco nero supermassiccio che si nutre avidamente del materiale che lo circonda. Sebbene i quasar siano spesso molto lontani, gli astronomi sono in grado di rilevarli attraverso il fenomeno delle lenti gravitazionali. Quando una galassia sufficientemente massiccia, più vicina alla Terra rispetto al quasar, ostacola la luce del quasar distante, la galassia stessa può fungere da lente; il suo campo gravitazionale deforma lo spazio, piegando la luce del quasar sullo sfondo in più immagini e rendendola più luminosa.

A volte, la luminosità del quasar risulta variabile, “sfarfalla”. Poiché ogni immagine corrisponde a una lunghezza del percorso leggermente diversa, dal quasar al telescopio, lo sfarfallio appare in momenti leggermente diversi per ogni immagine, ossia i raggi di luce non arrivano sulla Terra tutti allo stesso tempo.

Con HE0435-1223, PG1115 + 080 e RXJ1131-1231, il team ha misurato con cura quei ritardi, che sono inversamente proporzionali al valore della costante di Hubble. Ciò ha consentito agli astronomi di decodificare la luce da questi quasar lontani e raccogliere informazioni su quanto l’universo si è espanso durante il tempo in cui la luce era diretta verso la Terra.

Immagini di quasar attraverso lenti gravitazionali: HE0435-1223 (sinistra), PG1115+ 080 (centro), and RXJ1131-1231 (destra). Crediti: G. Chen, C. Fassnacht, UC Davis

«Uno degli aspetti più importanti nell’uso della lente gravitazionale per misurare la costante di Hubble è la sensibilità e l’alta risoluzione dell’imaging», ha affermato Chen. «Fino ad ora, le migliori misure della costante di Hubble basate su lenti gravitazionali sono state fatte utilizzando i dati di Hst. Noi abbiamo trovato due cose. Innanzitutto, avevamo valori coerenti con le misurazioni precedenti basate sui dati Hst, a dimostrazione del fatto che i dati ottenuti con l’ottica adattiva possono fornire una potente alternativa ai dati Hst, in futuro. In secondo luogo, abbiamo scoperto che la combinazione dei dati di ottica adattiva e Hst ha fornito un risultato più preciso».

Chen e il suo team, così come molti altri gruppi, stanno facendo altre ricerche e osservazioni per indagare ulteriormente. Ora che il team di Chen ha dimostrato che il sistema di ottica adattiva dell’osservatorio Keck è altrettanto potente di Hst, gli astronomi possono aggiungere questa metodologia alle tecniche di misura della costante di Hubble.

«Ora possiamo provare questo metodo con più sistemi di quasar con lenti gravitazionali, per migliorare la precisione della nostra misura della costante di Hubble. Forse questo ci condurrà a un modello cosmologico più completo dell’universo», conclude Fassnacht.

Per saperne di più:

  • Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “A SHARP view of H0LiCOW: H0 from three time-delay gravitational lens systems with adaptive optics imaging” di Geoff C-F Chen, Christopher D Fassnacht, Sherry H Suyu, Cristian E Rusu, James H H Chan, Kenneth C Wong, Matthew W Auger, Stefan Hilbert, Vivien Bonvin, Simon Birrer, Martin Millon, Léon V E Koopmans, David J Lagattuta, John P McKean, Simona Vegetti, Frederic Courbin, Xuheng Ding, Aleksi Halkola, Inh Jee, Anowar J Shajib, Dominique Sluse, Alessandro Sonnenfeld e Tommaso Treu