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Costante di Hubble sempre più sdoppiata

Schema che illustra la tecnica utilizzata per ricavare la costante di Hubble locale
Schema che illustra la tecnica utilizzata per ricavare la costante di Hubble locale

 Ogni anno, il premio Nobel Adam Riess torna all'attacco con misure sempre più accurate della velocità di espansione dell'universo e, ogni volta, il divario con i valori "primordiali" ricavati dai satelliti Planck e WMAP risulta sempre più incolmabile. Forse, dietro questa apparente contraddizione, si cela una "nuova Fisica".

 La costante di Hubble, introdotta dall'omonimo astronomo americano, è il rapporto tra la velocità di regressione cosmologica di una galassia e la sua distanza, come spiegato in un precedente approfondimento sul "red shift". Quella di cui parliamo qui è la costante di Hubble locale, indicata come H0, relativa a galassie a noi vicine sia spazialmente che temporalmente. Classicamente, H0 si ricava sulla base del rapporto periodo-luminosità delle stelle cefeidi; questa è la "candela" standard usata per valutare la distanza di galassie non troppo lontane che ospitano anche supernove di tipo Ia, il che permette di usarle come "candele secondarie" per desumere la distanza di galassie ancora più lontane (delle quali non riusciamo a vedere le cefeidi). Un altro metodo per stimare la velocità di espansione è quello basato sulle disuniformità della radiazione fossile a 3K (il "Cosmic Microwave Background", CMB); anche il valore così ottenuto viene comunque ricalcolato localmente e attualmente, cioè come H0, basandosi sull'effetto di accelerazione legato alla costante cosmologica.

 Confrontare le misure ottenute con i due metodi permette di testare in maniera stringente l'attuale "Modello Standard" cosmologico, chiamato ΛCDM, che include la costante cosmologica, la materia oscura "fredda" e un universo geometricamente piatto. Già nel 2016, Riess e collaboratori avevano ottenuto H0 = 73,24 (±1,74) km s−1 Mpc−1, in chiaro contrasto con quanto ottenuto nello stesso anno dalla Planck Collaboration 66,93 (±0,62 km s−1 Mpc−1); statisticamente questo corrisponde, come dicono gli scenziati, a una differenza di 3,4σ quindi piuttosto significativa perchè la probabilità che sia frutto del caso è solo una su 1500. Non contento di ciò, nel suo nuovo articolo lo scenziato americano ha rifinito verso l'alto questo valore che adesso si assesta su H0 = 73,45 (±1,66) km s−1 Mpc−1, portando a 3,7σ il disaccordo con Planck + ΛCDM e riducendo quindi la  possibilità di scarto fortuito a 1:5000.

 In passato, la relazione massa-luminosità delle cefeidi nella Via Lattea era piuttosto approssimativa perchè non era basata su una misura indipendente della loro distanza; lo stesso Hubble, quando scoprì l'omonima legge, ne rimase vittima e sovrastimò il valore di H0 di ben 7 volte! Quello che invece ha fatto Riess, insieme ai suoi collaboratori, è stato usare la Wide-Field Camera 3 (WFC3) installata sul telescopio Hubble per stimare, con una precisione mai raggiunta prima, la parallasse geometrica di 7 di queste stelle variabili, denominate SS CMa, XY Car, VY Car, VX Per, WZ Sgr, X Pup and S Vul. Si tratta di Cefeidi a lungo periodo (almeno 10 giorni) situate all'interno della Via Lattea anche se piuttosto distanti da noi (da 1.7 a 3.6 kpc); la precisione raggiunta in queste misure è stata, in media, 45 micro-secondi d'arco (µas), 29 µas nel caso migliore. I risultati sono sintetizzati nei grafici seguenti, dove le nuove misure (in rosso) sono confrontate con le parallassi, per ora meno precise, di Gaia.

Reiss e

Confronto tra le distanze ottenute de misure di parallasse e dai periodi delle cefeidi; in nero i dati GAIA DR1, in rosso i nuovi dati pubblicati da Riess (isolati nel grafico in basso) - credit: A.G.Riess et al. - processing: M. Di Lorenzo

 Nei grafici qui sopra, sulle ascisse abbiamo i valori "attesi" di parallasse, derivati dalla relazione Periodo-Luminosità; come si vede, le nuove misure seguono in maniere abbastanza fedele tale relazione, dato che sono tutte in vicinanza della retta obliqua che corrisponde all'uguaglianza tra le due parallassi. Riess mette in evidenza il fatto che, da queste misure, il rapporto ottimale tra periodo misurato e quello calcolato è 1,034 (±0,036), consistente con i modelli teorici ma non con il rapporto di 0,91 che sarebbe necessario per far coincidere il valore di H0 con quello ricavato dal CMB.

 Utilizzando a questo punto anche la parallasse di altre 2 cefeidi a lungo periodo, si sono stimate le distanze di oltre 1800 cefeidi in 19 galassie che hanno ospitato delle supernove di tipo Ia e da qui la nuova stima della costante di Hubble. Riess auspica che la futura combinazione tra le misure di parallasse di Gaia e quelle di luminosità da HST su una cinquantina di cefeidi nella Via Lattea permetterà di abbassare la precisione del valore di H0 dall'attuale 2,3% a meno dell'1%, mentre il divario di cui stiamo parlando ammonta al 9% ed è improbabile che possa assottigliarsi. Tutto questo è impressionante se pensiamo che, fino a poco più di venti di anni fa, le diatribe tra cosmologi si basavano su valori della costante di Hubble che oscillavano di oltre un fattore due (tra 45 e 110 km s−1 Mpc−1)!

 Tra le possibili spiegazioni della discrepanza, Riess accenna al fatto che la stessa accelerazione dell'espansione cosmica (da lui scoperta e che gli è valsa il Nobel nel 2011) potrebbe non essere costante nel tempo e questo avrebbe conseguenze importanti sul modello standard e sulla natura dell'energia oscura, la cui pressione starebbe aumentando. Altre possibilità riguardano la presenza, nell'universo, di una "dark radiation" ovvero particelle (ad esempio "neutrini sterili") che viaggiano quasi alla velocità della luce, oppure una interazione più marcata del previsto tra materia oscura e radiazione o materia ordinaria.

 

Riferimenti:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/improved-hubble-yardstick-gives-fresh-evidence-for-new-physics-in-the-universe
https://aliveuniverse.today/flash-news/spazio-astronomia/2773-una-nuova-stima-per-la-costante-di-hubble
https://aliveuniverse.today/flash-news/spazio-astronomia/2335-hubble-l-universo-si-espande-piu-velocemente

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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2 commenti

  • Link al commento Marco Di Lorenzo (DILO) Mercoledì, 07 Marzo 2018 20:14 inviato da Marco Di Lorenzo (DILO)

    L'idea di una materia che si crea continuamente dal vuoto era cara ai fautori dello stato stazionario ma è stata abbandonata da tempo e non mi pare che il bosone di Higgs supporti questo modello... per quanto riguarda l'espansione, direi che su grande scala la gravità delle stelle non ha alcun effetto mentre, se la domanda era riferita alla formazione delle stelle nonostante l'espansione, è dovuta alla concentrazione di materia oscura locale (si veda l'ultimo articolo che ho scritto sulle prime stelle).

  • Link al commento leopoldo Mercoledì, 07 Marzo 2018 10:32 inviato da leopoldo

    salve, piccolo dubbio ma la particella di higgs non dimostra che la materia aumenta(Guido Tonelli, La nascita imperfetta delle cose)? altra incertezza se l'universo si spande che effetti ha sulla gravità, delle stelle prossime tra loro?

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