G299 è il resto di una particolare classe di supernove chiamata Tipo Ia. Crediti: Nasa/Cxc/U.Texas
Che l’universo si stia espandendo è ormai assodato. Ciò che ancora non si è ben capito è con quale velocità. La risposta è legata al valore della costante di Hubble – o costante della discordia, a questo punto della storia – che ormai da decenni si sta cercando di determinare. Le stime più precise attualmente disponibili appartengono a due famiglie di misurazioni, la prima basata sulle osservazioni della radiazione cosmica di fondo del satellite Planck, e la seconda sulle supernove di tipo Ia e altri indicatori usati per misurare le distanze nell’universo locale. Purtroppo tali stime sono discordanti a un livello statisticamente significativo.
A rafforzare ulteriormente il disaccordo, è arrivata una serie di articoli pubblicati in questi giorni su un numero speciale di The Astrophysical Journal che descrive una nuova analisi basata sulla seconda famiglia di misurazioni, quella che si riferisce alle supernove di tipo Ia. In particolare, la nuova analisi si fonda su Pantheon+, un catalogo di supernove Ia, e conferma in modo convincente che il cosmo è composto da circa due terzi di energia oscura e un terzo di materia, per lo più sotto forma di materia oscura, e che negli ultimi miliardi di anni si sta espandendo a un ritmo accelerato. Tale analisi consolida la discrepanza sul ritmo dell’espansione, e sbarra la porta a modelli alternativi dell’universo che tengono conto dell’energia e della materia oscura.
«Con questi risultati di Pantheon+ siamo in grado di porre i vincoli più precisi alla dinamica e alla storia dell’universo fino a oggi», afferma Dillon Brout, Einstein Fellow presso il Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian. «Abbiamo esaminato i dati e ora possiamo dire con più sicurezza che mai come l’universo si è evoluto nel corso degli eoni e che le attuali migliori teorie sull’energia oscura e sulla materia oscura sono solide».
Pantheon+ si basa sul più grande set di dati del suo genere, che comprende più di 1.500 supernove di tipo Ia. Queste luminose esplosioni stellari si verificano quando le nane bianche accumulano troppa massa e subiscono una reazione termonucleare incontrollata. Poiché le supernove di tipo Ia eclissano intere galassie, possono essere viste a distanze superiori a 10 miliardi di anni luce, o indietro nel tempo di circa tre quarti dell’età dell’universo. Dato che le supernove risplendono con luminosità intrinseca quasi uniforme, gli scienziati possono utilizzare la luminosità apparente delle esplosioni, che diminuisce con la distanza, insieme alle misurazioni del redshift, come indicatori del tempo e dello spazio. Tali informazioni, a loro volta, rivelano la velocità con cui l’universo si espande durante le diverse epoche, che viene quindi utilizzata per testare le teorie dei componenti fondamentali dell’universo stesso.
È grazie a uno studio sulle supernove di tipo Ia che, nel 1998, si è scoperto che l’universo si sta espandendo in modo accelerato. Gli scienziati attribuiscono l’espansione all’energia oscura. Nei decenni successivi si sono compilati set di dati sempre più grandi, rivelando supernove in una gamma ancora più ampia di spazio e tempo, e Pantheon+ le ha ora riunite nell’analisi a oggi statisticamente più solida. «Quest’ultima analisi Pantheon+ è il culmine di oltre due decenni di diligenti sforzi da parte di osservativi e teorici di tutto il mondo nel decifrare l’essenza del cosmo», afferma Adam Riess, uno dei vincitori del Premio Nobel 2011 in Fisica per la scoperta dell’espansione accelerata dell’universo e Bloomberg Distinguished Professor presso la Johns Hopkins University (Jhu) e lo Space Telescope Science Institute.
Diversi anni fa, Dan Scolnic aveva sviluppato l’analisi del Pantheon di circa 1.000 supernove. Ora, Brout e Scolnic, con Pantheon+ hanno aggiunto circa il 50 per cento di dati in più sulle supernove, oltre ad apportare miglioramenti significativi nelle tecniche di analisi e nell’affrontare potenziali fonti di errore. Tutto questo ha portato a raggiungere una precisione pari al doppio di quella del catalogo Pantheon originale.
Prendendo i dati nel loro insieme, la nuova analisi sostiene che il 66,2 per cento dell’universo si manifesta come energia oscura, mentre il restante 33,8 per cento è una combinazione di materia oscura e materia ordinaria. Per arrivare a una comprensione ancora più completa delle componenti costitutive dell’universo in epoche diverse, Brout e colleghi hanno combinato il Pantheon+ con altre misure indipendenti e complementari della struttura su larga scala dell’universo e con le misurazioni del fondo cosmico a microonde.
Inoltre, da un’analisi congiunta del campione Pantheon+ con i dati della collaborazione Sh0es – Supernova H0 for the Equation of State, guidata da Riess – si ottiene la misurazione locale più rigorosa dell’attuale tasso di espansione dell’universo. Pantheon+ e Sh0es insieme trovano una costante di Hubble di 73,4 chilometri al secondo per megaparsec con solo l’1,3 per cento di incertezza. In altre parole, per ogni megaparsec – pari a 3,26 milioni di anni luce – l’analisi stima che nell’universo vicino, lo spazio stesso si stia espandendo a più di 257mila chilometri orari.
Tuttavia, come anticipato all’inizio, le osservazioni di un’epoca completamente diversa della storia dell’universo predicono un valore differente: le misurazioni del fondo cosmico a microonde, quando combinate con l’attuale Modello cosmologico standard, fissano la costante di Hubble a un valore significativamente inferiore rispetto alle osservazioni effettuate tramite supernove di tipo Ia e altri marcatori astrofisici. Questa notevole discrepanza tra le due metodologie è stata definita tensione di Hubble.
I nuovi set di dati Pantheon+ e Sh0es consolidano questa tensione. In effetti, la tensione ha ora superato l’importante soglia di 5 sigma (circa una probabilità su un milione di insorgenza casuale) che i fisici usano per distinguere tra possibili casualità statistiche e qualcosa che invece casuale non è. Il raggiungimento di questo nuovo livello statistico evidenzia una sfida sia per i teorici che per gli astrofisici nel provare a spiegare la discrepanza di Hubble. «Pensavamo che sarebbe stato possibile trovare indizi per una nuova soluzione a questi problemi nel nostro set di dati, ma invece stiamo scoprendo che i nostri dati escludono molte di queste opzioni e che le profonde discrepanze rimangono più ostinate che mai», afferma Brout.
I risultati di Pantheon+ potrebbero certamente aiutare a trovare la soluzione alla tensione di Hubble. «Molte teorie recenti hanno iniziato a puntare a una nuova fisica esotica nell’universo primordiale, tuttavia tali teorie non verificate devono resistere al processo scientifico e la tensione di Hubble continua a essere una sfida importante», afferma Brout.
Nel complesso, Pantheon+ offre agli scienziati uno sguardo completo su gran parte della storia cosmica. Le prime e più lontane supernove nel set di dati brillano da 10,7 miliardi di anni luce di distanza, ovvero da quando l’universo aveva circa un quarto della sua età attuale. In quell’era, la materia oscura e la gravità a essa associata governavano l’espansione dell’universo. Questo stato di cose è cambiato radicalmente nei successivi miliardi di anni poiché l’influenza dell’energia oscura ha sopraffatto quella della materia oscura. Da allora l’energia oscura ha allontanato i costituenti del cosmo a una velocità sempre maggiore. «Questo set di dati è un’opportunità unica per vedere l’energia oscura “accendersi” e guidare l’evoluzione del cosmo sulle più grandi scale nel tempo presente», conclude Brout.
Ci si augura che riuscire a studiare questo cambiamento con evidenze statistiche ora ancora più forti, porti a nuove intuizioni sulla natura enigmatica dell’energia oscura.
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “The Pantheon+ Analysis: Cosmological Constraints” di Dillon Brout, Dan Scolnic, Brodie Popovic, Adam G. Riess, Anthony Carr, Joe Zuntz, Rick Kessler, Tamara M. Davis, Samuel Hinton, David Jones, W. D’Arcy Kenworthy, Erik R. Peterson, Khaled Said, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Charvu, Arianna Dwomoh, Cole Meldorf, Antonella Palmese, Helen Qu, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chen, Ken Chambers, David A. Coulter, Mi Dai, Georgios Dimitriadis, Alexei V. Filippenko, Ryan J. Foley, Saurabh W. Jha, Lisa Kelsey, Robert P. Kirshner, Anais Möller, Jessie Muir, Seshadri Nadathur, Yen-Chen Pan, Armin Rest, Cesar Rojas-Bravo, Masao Sako, Matthew R. Siebert, Mat Smith, Benjamin E. Stahl e Phil Wiseman