Quanto velocemente si espande l’Universo? La domanda, alla quale gli astronomi provano a rispondere da quasi un secolo continua a stimolare la ricerca dei cosmologi, ed è alla base del lavoro di un team internazionale guidato da Nandita Khetan, dottoranda al Gran Sasso Science Institute e associata INFN, che propone un nuovo metodo per misurare la costante di Hubble.
Lo studio si pone all’interno del dibattito in corso sul valore della costante di Hubble, il parametro che misura la velocità di espansione attuale dell’Universo e che ad oggi rappresenta la principale anomalia tra osservazioni e modelli cosmologici, altrimenti in buon accordo tra loro. Secondo misure di distanza effettuate nell’Universo locale – utilizzando come “candele standard” le supernovae di tipo Ia, cioè esplosioni di nane bianche in sistemi di stelle doppie – l’espansione cosmica odierna avverrebbe in modo significativamente più rapido, di circa il 10 percento, rispetto a quanto previsto dall’evoluzione dell’Universo primordiale, ottenuta sulla base di osservazioni della radiazione cosmica di fondo. Cosa si nasconde dietro questa “tensione”: un’affascinante nuova fisica o interessanti effetti sistematici?
Misurare distanze in astronomia è un problema complesso che richiede la combinazione di diverse tecniche e osservazioni per stimare la luminosità intrinseca delle sorgenti in questione. Nel caso delle supernovae Ia, il metodo di calibrazione più usato si basa su osservazioni di un certo tipo di stelle variabili, le Cefeidi, nelle stesse galassie che ospitano le esplosioni di supernova. Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Astronomy & Astrophysics, propone un nuovo metodo per calibrare le distanze delle supernovae, usando le fluttuazioni di brillanza superficiale (o SBF, dall’acronimo inglese surface brightness fluctuations) delle galassie ospiti.
“Utilizzando un campione di 24 supernovae, tutte esplose in galassie la cui distanza è nota grazie a misure di SBF, per calibrare un più vasto campione cosmologico di 96 supernovae, il team ha ottenuto un valore per la costante di Hubble pari a 70,5 km al secondo per megaparsec ” – racconta Nandita Khetan – “Questa stima si posiziona a metà strada tra il valore più recente ottenuto da misure di supernovae calibrate in modo classico con le Cefeidi (73,2 km/s/Mpc) e quello basato sulle osservazioni della radiazione cosmica di fondo del satellite Planck (67,4 km/s/Mpc) “
Anche se, considerando le rispettive incertezze, la nuova misura risulta compatibile con i due valori estremi, questo risultato mette in evidenza un’importante differenza tra le supernovae calibrate con i due diversi metodi. Tale differenza potrebbe derivare dall’ambiente in cui si trovano le supernovae selezionate nei due campioni, poiché i due tipi di calibrazione si basano su osservazioni effettuate in galassie diverse: le Cefeidi, infatti, si trovano in galassie a spirale e non nelle galassie ellittiche, dove il metodo SBF viene generalmente utilizzato.
“L’origine di questa tensione sulla misura della costante di Hubble potrebbe essere dovuta all’azione di errori sistematici: la luminosità intrinseca delle supernovae potrebbe risultare diversa per un diverso ambiente dell’esplosione o per un diverso progenitore” dice Luca Izzo, ricercatore del Dark Cosmology Center di Copenhagen.
Il lavoro dimostra l’efficacia dell’uso del metodo SBF per calibrare le supernovae, aprendo nuove promettenti strade per questo tipo di ricerche. Nei prossimi anni, l’avvento di strumenti come il James Webb Space Telescope e il Vera Rubin Observatory renderà questo metodo uno strumento chiave per la cosmologia di precisione.
“Questa tecnica, non basata su eventi imprevedibili – come l’esplosione di una supernova – o su lunghe campagne osservative – come nel caso dello studio di variabili Cefeidi – permetterà da un lato la misura di distanze per galassie lontanissime, dove il flusso di Hubble domina sulle velocità peculiari, dall’altro ci consentirà di misurare distanze per un numero incredibile di galassie vicine e quindi aumentare il numero dei calibratori”, osserva Michele Cantiello, ricercatore dell’INAF ed esperto del metodo SBF.
Non deve quindi sorprenderci che studi di questo tipo siano, in prospettiva, particolarmente fecondi di risultati: “lo studio dettagliato delle galassie che ospitano le supernovae, permetterà di far luce sull’eventuale presenza di effetti sistematici nascosti che potrebbero risolvere la tensione sulla costante di Hubble, oppure svelare inaspettate proprietà e importanti informazioni sulla natura astrofisica di quelle che oggi consideriamo le migliori candele standard” commenta Marica Branchesi, professoressa al GSSI, associata INFN e presidente del Consiglio Scientifico INAF.
“Riportando questo risultato al suo valore nominale, confermiamo il trend finora osservato: una nuova misura della costante di Hubble, basata su calibratori osservati nell’universo ‘locale’, trova un valore di H0 marginalmente superiore al valore ottenuto da Planck. Ma è certamente presto per spiegare questo effetto con l’intervento di una ‘nuova’ fisica”, conclude Massimo Della Valle, dell’INAF.
Il team coinvolge scienziati esperti di osservazioni di supernovae, di misura di SBF e di teoria che lavorano presso il Gran Sasso Science Institute, l’Istituto Nazionale di Astrofisica, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, DARK – Niels Bohr Institute dell’Università di Copenhagen, il Centre for Astrophysics and Supercomputing dell’Università di Swinburne, l’Osservatorio Las Cumbres e l’Università della California Santa Barbara e Università della California Davis.
