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L’espansione cosmica va rivista?

Una discrepanza peculiare sta portando gli astronomi a riflettere su ciò che sappiamo sull’espansione dell’Universo, che mostrerebbe una maggiore accelerazione di quanto misurato. Se questo è vero, potrebbe esistere “qualcosa” di più profondo che ci sfugge. E questo qualcosa potrebbe essere collegato, forse, all’esistenza di nuove particelle o suggerire che l’energia scura, quell’enigmatica componente che sta causando l’espansione accelerata dello spazio, possa variare nel corso del tempo. I risultati di questo studio sono riportati su Astrophysical Journal.

Il gruppo di ricercatori, guidato dal Premio Nobel Adam Riess, ha realizzato tutta una serie di calcoli per ricavare con un’accuratezza senza precedenti l’attuale ritmo di espansione dell’Universo, un parametro cosmologico noto come costante di Hubble (H0) (post). In teoria, determinare il tasso di espansione dello spazio è un’operazione relativamente semplice, perchè conosciamo la distanza a cui si trova una galassia e quindi la sua velocità di allontanamento. Ma, nella pratica, le misure delle distanze cosmologiche sono difficili da effettuare e richiedono l’utilizzo di oggetti di luminosità nota, chiamati “candele standard”, per stimare la loro posizione nello spazio. L’utilizzo delle supernovae di tipo Ia come candele standard, esplosioni di stelle che esibiscono la stessa luminosità intrinseca (post1; post2), ha portato alla scoperta dell’espansione accelerata dell’Universo, un risultato che ha valso a Riess nel 2011, così come a Saul Perlmutter e Brian Schmidt, il Premio Nobel per la Fisica. L’ultima misura, basata su quel lavoro, indica che l’Universo si espande con una velocità di di 73,2 Km/sec per megaparsec (1 megaparsec equivale a 3,3 milioni di anni-luce): più precisamente H0 = 73,00 ± 1,75 Km/sec/Mpc.

Che cosa indica il valore della costante di Hubble? Immaginiamo di suddividere l’Universo in tante griglie, ognuna delle quali si estende per 1 megaparsec. Ogni volta che si raggiunge una nuova griglia, l’Universo si espande di 73,2 Km/sec più velocemente rispetto alla griglia precedente.

Anche se l’analisi dei dati pone la costante di Hubble entro gli errori sperimentali, che sono pari ad appena il 2,4 percento, l’ultimo risultato ottenuto non è compatibile con il tasso di espansione predetto dall’osservazione della radiazione cosmica di fondo, che dalle previsioni del modello ΛCDM e con i nuovi dati del satellite Planck risulta H0 = 66,93 ± 0,62 Km/sec/Mpc.  Gli astronomi, infatti, misurano l’espansione dello spazio analizzando la luce più antica dell’Universo, che risale a 380 mila anni dopo il Big Bang, in modo da confrontare il valore della costante di Hubble con quello di oggi. “È un po’ come lanciare in alto un pallone”, spiega Riess. “Se conosciamo lo stato fisico del pallone, cioè la sua posizione, velocità con cui si muove e la gravità a cui è soggetto, allora siamo in grado di predire in maniera precisa quale sarà la sua velocità successiva. Perciò, nel nostro caso, anzichè avere un pallone qui abbiamo l’intero Universo e crediamo di essere in grado di predire qual è oggi la sua velocità di espansione. Il problema, però, è che l’Universo è composto quasi completamente di una forma oscura di materia ed energia che ancora non comprendiamo ”. I tassi di espansione predetti dalle misure realizzate dal satellite Planck relativamente all’Universo primordiale sono più piccoli del 9 percento rispetto ai valori misurati da Riess, una discrepanza inattesa che suggerisce il fatto che l’Universo potrebbe espandersi oggi ad un ritmo ancora più elevato.

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Il grafico mostra le misure locali della costante di Hubble confrontate, in particolare, con i valori predetti dal modello Lambda-CDM e con quelli ricavati dal satellite Planck. Credit: A. Riess et al. 2016/Ap.J.

David Kaplan, un teorico della Johns Hopkins University che non ha partecipato allo studio, è affascinato da questa discrepanza perchè potrebbe essere facilmente spiegata se si introduce una nuova teoria oppure se si apporta una piccola modifica a quella attuale. “A volte si presenta una strana discrepanza o un segnale misterioso e subito si pensa a come spiegarli”, dice Kaplan. “Spesso, ce ne veniamo fuori con le teorie più strampalate. Ma, d’altra parte, queste sono situazioni dove è veramente facile trovare una spiegazione se si introducono nuovi gradi di libertà”. L’idea di Kaplan è che esista una particella sconosciuta, non ancora osservata, che avrebbe influenzato il tasso di espansione dell’Universo primordiale. “Se esistono particelle superluminali, che non sono state ancora prese in considerazione e che contribuiscono ad una piccola frazione del contenuto di materia di cui è fatto l’Universo, allora si potrebbe spiegare la discrepanza in modo relativamente semplice”. Ma non tutti concordano. “Sappiamo così poco dell’energia scura che è del tutto inutile ipotizzare l’esistenza di altre cose”, fa notare David Spergel dell’Università di Princeton che non ha partecipato allo studio.

Una possibile spiegazione è che l’azione esercitata dall’energia scura stia crescendo nel corso del tempo.

L’idea di partenza è che l’energia scura sia costante. Perciò, gli ammassi di galassie si allontanano gli uni dagli altri, anche se rimangono sempre legati dalla forza di gravità”, aggiunge Alexei Filippenko dell’Università della California, a Berkeley, e co-autore dello studio. “Ma se l’energia scura diventa sempre più importante nel corso del tempo, allora un giorno, nel futuro lontano, anche gli ammassi di galassie saranno disgregati. E non finisce qui. Le galassie, gli ammassi stellari, le stelle, i sistemi planetari, i pianeti e persino gli atomi saranno strappati uno per uno”. Tuttavia, è possibile che una delle due misure sia sbagliata. Dunque, i due gruppi di ricercatori stanno ora lavorando per ottenere valori più precisi della costante di Hubble. Ricordiamo, infine, che quest’ultima discrepanza è relativamente più piccola rispetto a quelle che si sono presentate nel passato. “Sono abbastanza vecchio da ricordare quando da studente andavo alle conferenze e la gente si domandava se la costante di Hubble fosse 50 o 100 Km/sec/Mpc”, conclude Spergel. “Oggi ci troviamo in una situazione dove il gap si è ridotto perchè stiamo parlando di 67 e 73 Km/sec/Mpc. Abbiamo fatto grandi passi in avanti. E non è una discrepanza da sminuire. Tutto ciò è molto interessante. Potrebbe essere davvero un segnale di una nuova fisica”.

arXiv: A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant