Il mistero della tensione di Hubble si è approfondito con la sorprendente scoperta che l’Ammasso della Chioma di galassie è 38 milioni di anni luce più vicino di quanto dovrebbe essere. Negli ultimi anni, sono emersi problemi nei tentativi di misurare l’espansione dell’universo, governata dalla legge di Hubble-Lemaître. Questa legge ci dice che la velocità con cui una galassia viene allontanata da noi dall’espansione dello spazio è uguale alla sua distanza moltiplicata per il tasso di espansione, quantificato come costante di Hubble. Più una galassia è lontana da noi, più velocemente si allontana da noi.
Un team di astronomi guidato da Dan Scolnic della Duke University in North Carolina e Adam Riess della Johns Hopkins University ha cercato tutte le esplosioni di supernova di tipo Ia osservate dal Telescopio Spaziale Hubble nelle galassie dell’Ammasso della Chioma. Utilizzando le misurazioni di queste supernove, il team ha scoperto che l’Ammasso della Chioma è più vicino a noi di quanto il modello standard ci dica che dovrebbe essere, e questo è un grosso problema.
Esistono due principali tattiche per misurare la costante di Hubble. Una è direttamente, osservando “candele standard” — cioè oggetti con luminosità prevedibili come variabili Cefeidi, esplosioni di supernova di tipo Ia e stelle giganti rosse — nelle galassie e determinando quanto sono lontane in base alla luminosità apparente di queste candele standard. Accoppiato con la velocità con cui si allontanano da noi, che può essere derivata dalle misurazioni del loro redshift (che indica che più velocemente qualcosa si allontana da noi, più la sua luce è allungata in lunghezze d’onda più lunghe e rosse), gli astronomi possono usare la legge di Hubble-Lemaître per calcolare la costante di Hubble.
L’altra tattica è tornare indietro nel tempo, fino quasi all’inizio. La radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) è la luce emessa 379.000 anni dopo il Big Bang. Prima di questo tempo, l’universo era riempito con un denso oceano ribollente di plasma, che è gas ionizzato — era troppo caldo perché elettroni e nuclei atomici si combinassero. Il plasma era opaco alla luce e onde di densità riverberavano attraverso di esso. Poi, quando l’orologio cosmico segnò 379.000 anni, l’universo si era raffreddato a sufficienza perché gli elettroni e i nuclei si combinassero e formassero atomi interi. Il plasma si trasformò in una nebbia di gas di idrogeno e elio neutri, ma quelle onde di densità rimasero congelate nella distribuzione della materia, una distribuzione che persiste fino ad oggi, sebbene su scale molto più grandi rispetto a allora. La CMB cattura come apparivano quelle onde di densità, chiamate “oscillazioni acustiche barioniche” o BAO, 379.000 anni dopo il Big Bang.
Gli scienziati sono in grado di utilizzare il modello standard della cosmologia sulle osservazioni della CMB per fare previsioni sull’universo. Il modello standard è la nostra immagine di base di un cosmo dominato da materia oscura fredda ed energia oscura, operante sotto la provincia della Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein. La costante di Hubble rimane poco cambiata a un valore di 67,4 km/sec-Mpc corrispondente a 13,8 miliardi di anni per l’età dell’universo.
Basato sulle osservazioni della radiazione CMB da parte del satellite Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, il modello standard prevede che la costante di Hubble dovrebbe essere di 67,4 chilometri al secondo per megaparsec (km/s/Mpc). Un megaparsec è un milione di parsec, e un parsec è 3,26 anni luce, quindi in altre parole ciò che Planck e il modello standard prevedono è che ogni volume di spazio largo un milione di parsec dovrebbe espandersi di 67,4 chilometri ogni secondo. Tuttavia, la maggior parte delle misurazioni delle candele standard nel qui e ora suggeriscono un valore diverso, nella regione di 73,2 km/s/Mpc. Entrambe le misurazioni sono fatte con un alto grado di precisione e, secondo la nostra comprensione dell’astrofisica e della cosmologia, entrambe dovrebbero essere corrette, ma entrambe non possono essere corrette. Deve essere una o l’altra. Questa differenza inspiegabile è ciò che chiamiamo tensione di Hubble.
“Mi piace pensare alla tensione di Hubble come quando eri un bambino dal dottore, e ti misuravano quando eri un bambino, e il dottore potrebbe dire, beh se sei così grande quando sei giovane, sarai così grande quando sarai adulto,” ha detto Scolnic in una conferenza stampa al 245° incontro della American Astronomical Society questo gennaio in Maryland. “In astronomia possiamo fare la stessa cosa con le immagini della radiazione cosmica di fondo, che è quando l’universo era un bambino, per prevedere quanto grande e quanto velocemente l’universo si espanderebbe oggi. E poi astronomi come me possono andare a misurare l’espansione dell’universo oggi, e non corrisponde alla previsione,” ha aggiunto Solnic.
Nessuno capisce la tensione di Hubble. Quando si tratta di misteri del cosmo, è quasi sempre in cima alla lista. Alcuni scienziati pensano che ci sia qualche tipo di errore nascosto ma persistente nel modo in cui misuriamo le candele standard — c’è una comprensibile riluttanza a scartare il modello standard che ci ha servito così bene fino ad ora. Tuttavia, gli astronomi che fanno le misurazioni delle candele standard puntano il dito contro il modello standard, o almeno contro qualche fenomeno sconosciuto che il modello standard non prevede. In ogni caso, dobbiamo sapere di più, ed è per questo che molto dipende dalle spalle dello Strumento Spettroscopico dell’Energia Oscura (DESI), basato sul telescopio Mayall da 4 metri presso il Kitt Peak National Observatory in Arizona.
Iniziando la sua missione quinquennale per misurare l’universo in espansione nel 2021, DESI incorpora 5.000 piccoli dispositivi robotici che possono posizionare 5.000 fibre ottiche per raccogliere dati di redshift da 5.000 oggetti alla volta. Nel corso del suo sondaggio quinquennale, misurerà i redshift di circa 30 milioni di galassie distribuite nel tempo cosmico per capire come l’energia oscura stia accelerando l’espansione dell’universo. In modo unico, DESI è in grado di derivare la costante di Hubble basandosi su previsioni sia dall’universo primordiale che da quello moderno. Osservando le BAO ora scalate nella distribuzione delle galassie lungo la rete cosmica e confrontandole con la scala angolare delle BAO nella CMB, DESI calcola la costante di Hubble a 68,5 km/s/Mpc, molto vicino alla previsione del modello standard/Planck. Tuttavia, le misurazioni di DESI della costante di Hubble nell’universo moderno, utilizzando la luminosità delle esplosioni di supernova di tipo Ia nelle galassie, danno un valore di 76 km/s/Mpc, mostrando ancora la tensione, sebbene con una grande incertezza nelle misurazioni. Gli astronomi vorrebbero ridurre tale incertezza.
“La domanda è, possiamo aiutare DESI a fare una misurazione migliore?” ha chiesto Scolnic. Affinché i suoi risultati siano veramente imparziali, DESI costruisce la propria scala delle distanze cosmiche da zero, piuttosto che fare affidamento su misurazioni precedenti, con un’eccezione. Questo è il motivo per cui le sue osservazioni hanno una maggiore incertezza rispetto alle misurazioni precedenti. Quella scala delle distanze deve essere ancorata in qualche modo, calibrata con una misurazione robusta della distanza a una galassia o a un gruppo di galassie vicine. A tal fine, Scolnic e Riess si sono rivolti alle osservazioni del Telescopio Spaziale Hubble delle esplosioni di supernova di tipo Ia nell’Ammasso della Chioma di galassie.
“È un bel ricco ammasso con molte galassie, e molte galassie significano molte supernove, e sono tutte alla stessa distanza,” ha detto Scolnic. Questo ha permesso loro di calcolare una distanza di 321 milioni di anni luce, con un’incertezza di 7 milioni di anni luce, per ancorare le osservazioni di DESI. Questo si allinea perfettamente con le misurazioni precedenti della distanza dell’Ammasso della Chioma, ma aspetta — cosa dice il modello standard? Prevede che l’Ammasso della Chioma dovrebbe essere a 359 milioni di anni luce di distanza, ma non è assolutamente così lontano.
“Puoi vedere in tutte quelle misurazioni precedenti, molte delle quali fatte prima che sapessimo che c’era una tensione di Hubble, nessuna di esse si è mai avvicinata a ciò che sarebbe la previsione se il modello standard fosse corretto,” ha detto Scolnic. “Tutte mostrano che il modello standard con la misurazione di Planck non è corretto.” Dato che l’Ammasso della Chioma è uno degli ammassi di galassie più vicini a noi, Scolnic descrive questa scoperta come la tensione di Hubble nel nostro cortile. Dovrebbe anche mettere a tacere l’idea che la tensione di Hubble non sia reale, un’idea che ha guadagnato trazione nell’estate del 2024 quando un team guidato da Wendy Freedman dell’Università di Chicago ha utilizzato le osservazioni del Telescopio Spaziale James Webb delle variabili Cefeidi e delle stelle giganti rosse per misurare la distanza a 10 galassie. Le misurazioni di Freedman della costante di Hubble basate su queste dieci galassie erano in linea con il modello standard, suggerendo che la tensione di Hubble potrebbe essere stata un errore. Tuttavia, è una conclusione audace basata su solo 10 galassie, e Scolnic dice che il risultato di Freedman è “ora compreso in un contesto migliore, e la tensione di Hubble non è scomparsa.”
Quindi cosa potrebbe causare la tensione di Hubble? I cinici desiderosi di rovesciare l’establishment scientifico potrebbero sostenere che dobbiamo scartare il modello standard, ma è troppo presto per buttare via il bambino con l’acqua sporca. Vale la pena ricordare che il modello standard ha avuto numerosi successi, dalla descrizione della formazione, crescita ed evoluzione delle galassie, e l’esistenza di strutture su larga scala nell’universo, alla previsione delle caratteristiche della CMB, inclusa la dimensione delle BAO.
Quindi cosa potrebbe causare la tensione di Hubble? L’attenzione è ora focalizzata sull’universo primordiale e se c’era qualcosa lì non previsto dal modello standard che potrebbe aver influenzato le misurazioni. Forse c’è stata una scarica extra di energia oscura nell’universo primordiale, o forse l’energia è stata iniettata nel cosmo primordiale dalla radiazione degli assioni, che sono particelle teoriche e un candidato per l’identità della materia oscura. È tutto ancora molto speculativo. Nel frattempo, il risultato dell’Ammasso della Chioma sottolinea davvero quanto sia preoccupante la tensione di Hubble. Infatti, Scolnic pensa che i risultati dell’Ammasso della Chioma abbiano irreversibilmente approfondito il mistero, concludendo in modo inquietante che “la tensione di Hubble è ora una crisi di Hubble.”
I risultati dell’Ammasso della Chioma sono stati accettati per la pubblicazione su The Astrophysical Journal, e una pre-stampa è disponibile.