Fisici dell'Illinois e di Chicago sviluppano un nuovo metodo per misurare l'espansione cosmica

Stati Uniti - Agenzia stampa Ekhbary

Fisici dell'Illinois e di Chicago sviluppano un nuovo metodo per misurare l'espansione cosmica

Da circa un secolo, la comunità scientifica sa che l'universo è in costante espansione. Questo fenomeno, testimonianza del lavoro fondamentale di scienziati pionieri, è ora ampiamente riconosciuto come la Costante di Hubble, o Costante di Hubble-Lemaître. Attualmente, la ricerca cosmologica impiega principalmente due metodologie distinte per quantificare questo tasso di espansione: il Fondo Cosmico a Microonde (CMB) e la Scala delle Distanze Cosmiche.

Il metodo CMB sfrutta le misurazioni del redshift della radiazione residua del Big Bang. Al contrario, la Scala delle Distanze Cosmiche si basa su misurazioni di parallasse e redshift derivate da oggetti celesti come stelle variabili e supernovae, spesso definite "candele standard". Tuttavia, è emersa una sfida persistente: questi due metodi principali producono risultati contrastanti, una discrepanza ora nota come "Tensione di Hubble" (Hubble Tension). Questa divergenza rappresenta uno dei misteri cosmici più significativi e sconcertanti che gli scienziati affrontano oggi.

Fortunatamente, ricerche emergenti offrono vie promettenti per risolvere questa tensione e rafforzare il Modello Standard della Cosmologia. In un recente studio significativo, un team multidisciplinare di astrofisici, cosmologi e fisici dell'Università dell'Illinois e dell'Università di Chicago ha proposto un nuovo metodo innovativo. Questa tecnica sfrutta le sottili increspature nello spaziotempo, note come onde gravitazionali (GWs), per affinare la nostra comprensione dell'espansione cosmica.

La ricerca è stata guidata da Bryce Cousins, un borsista di ricerca laureato della NSF affiliato all'Istituto di Gravitazione e Cosmologia (IGC) presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign. Ha collaborato strettamente con numerosi colleghi dell'IGC, oltre che con ricercatori del Kavli Institute for Cosmological Physics e dell'Enrico Fermi Institute dell'Università di Chicago. Il loro studio fondamentale, intitolato "Stochastic Siren: Astrophysical gravitational-wave background measurements of the Hubble constant", è stato pubblicato il 16 gennaio sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters.

Gli scienziati che si sforzano di risolvere la Tensione di Hubble hanno esplorato una varietà di soluzioni teoriche. Queste vanno da ipotesi che coinvolgono l'Energia Oscura Primordiale (EDE) e le interazioni tra Materia Oscura (DM) e neutrini, a modelli complessi di dinamiche dell'energia oscura in evoluzione. Negli ultimi anni, la rilevazione delle onde gravitazionali è emersa anche come uno strumento potente per affrontare la Tensione di Hubble, offrendo un mezzo indipendente per misurare l'espansione cosmica.

Le onde gravitazionali, inizialmente teorizzate dalla Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, sono essenzialmente perturbazioni nel tessuto dello spaziotempo. Sono generate da eventi cosmici catastrofici, come la fusione di oggetti massicci come stelle di neutroni e buchi neri. La prima conferma diretta di queste onde è arrivata nel 2016 da scienziati che operavano il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Grazie a significativi progressi nella strumentazione e a una solida collaborazione internazionale, la rete LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) ha rilevato con successo oltre 300 eventi di onde gravitazionali.

Queste rilevazioni hanno aperto nuove frontiere in astronomia, consentendo agli scienziati di sondare fenomeni cosmologici e affinare le misurazioni dell'espansione dell'universo. La ricerca attuale si basa su questi progressi identificando un nuovo modo per migliorare queste misurazioni. Il team propone di sfruttare il "fondo di onde gravitazionali" (GWB) – un ronzio persistente di onde gravitazionali originato da collisioni astrofisiche troppo deboli per essere rilevate individualmente dalla attuale rete LVK.

Questo approccio innovativo è chiamato metodo della "Sirena Standard Stocastica", un nome derivato dalla natura stocastica, o casuale, delle innumerevoli collisioni astrofisiche che contribuiscono al GWB. Daniel Holz, professore all'Università di Chicago e coautore dello studio, ha sottolineato l'importanza di questo sviluppo in un comunicato stampa dell'Università dell'Illinois: "Non capita tutti i giorni di inventare uno strumento completamente nuovo per la cosmologia. Dimostriamo che utilizzando il ronzio di fondo delle onde gravitazionali derivante dalla fusione di buchi neri in galassie lontane, possiamo conoscere l'età e la composizione dell'universo. Questa è una direzione entusiasmante e completamente nuova, e non vediamo l'ora di applicare i nostri metodi a futuri set di dati per aiutare a vincolare la costante di Hubble, così come altre quantità cosmologiche chiave."

Come prova di concetto, i ricercatori hanno applicato la loro metodologia ai dati esistenti della Collaborazione LVK. La loro analisi ha rivelato che la attuale non-rilevazione del GWB fornisce prove convincenti contro modelli che predicono tassi di espansione cosmica lenti. Successivamente, hanno integrato il loro metodo della Sirena Stocastica con misurazioni della Costante di Hubble derivate da singoli eventi di fusione di buchi neri, ottenendo un tasso di espansione più preciso.

"Poiché osserviamo singole collisioni di buchi neri, possiamo determinare i tassi di queste collisioni che avvengono in tutto l'Universo", ha spiegato Cousins. "Sulla base di questi tassi, ci aspettiamo che ci siano molti più eventi che non possiamo osservare, che è chiamata il fondo di onde gravitazionali." Questa intuizione suggerisce che se la Costante di Hubble fosse più bassa, il volume di spazio all'interno del quale si verificano queste collisioni sarebbe più piccolo, implicando una maggiore densità di collisioni e un segnale GWB più forte, potenzialmente entro la gamma di rilevamento degli strumenti attuali.

Il coautore Nicolás Yunes, direttore fondatore dell'Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU), ha sottolineato l'importanza di questa misurazione indipendente: "Questo risultato è molto significativo: è importante ottenere una misurazione indipendente della costante di Hubble per risolvere l'attuale tensione di Hubble. Il nostro metodo è un modo innovativo per migliorare l'accuratezza delle inferenze sulla costante di Hubble utilizzando le onde gravitazionali."

Con i miglioramenti previsti alla sensibilità della rete LVK, gli scienziati stimano che il GWB potrebbe essere rilevato entro i prossimi sei anni. Se e quando ciò accadrà, il metodo della Sirena Stocastica del team dovrebbe ulteriormente affinare le misurazioni della Costante di Hubble. Nel frattempo, il metodo può essere impiegato per vincolare valori più elevati possibili della Costante di Hubble, stabilendo così limiti superiori al GWB e consentendo studi preliminari prima che la rilevazione diretta diventi fattibile.

"Ciò dovrebbe aprire la strada all'applicazione di questo metodo in futuro, man mano che continuiamo ad aumentare la sensibilità, a vincolare meglio il fondo di onde gravitazionali, e forse anche a rilevarlo", ha affermato Cousins. "Includendo tali informazioni, ci aspettiamo di ottenere migliori risultati cosmologici e di essere più vicini alla risoluzione della Tensione di Hubble."

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