La velocità con cui l'universo si sta espandendo viene descritta con un parametro chiamato costante di Hubble. Tuttavia, è nota una differenza persistente, detta “tensione di Hubble”, tra il valore della costante misurata con un’ampia gamma di indicatori di distanza indipendenti e il suo valore previsto dal bagliore residuo del Big Bang. Il motivo per cui esista questa discrepanza non è noto ma di fatto, le nostre previsioni teoriche sulla costante non sembrano corrispondere alla realtà. Ora, il telescopio spaziale James Webb (JWST) della NASA ha le capacità giuste per permetterci di perfezionare i dati ma la questione ancora non è stata risolta.
Gli astronomi sanno che il cosmo si espande costantemente in ogni direzione poiché possiamo vedere chiaramente le stelle e le galassie allontanarsi sempre più da noi nel corso del tempo ma non riescono a definire chiaramente la velocità con cui ciò sta accadendo o accelerando, forse a causa della cosiddetta energia oscura.
Lo studio, non ancora sottoposto a revisione paritaria, è stato pubblicato sul server arXiv.
Problemi di calcolo
Secondo la maggior parte dei modelli, la costante di Hubble dovrebbe essere pari a circa 68 chilometri al secondo per megaparsec (km/s/Mpc). Un megaparsec equivale a 1.000 parsec, o circa 3.260 anni luce. Ma dopo aver scansionato le stelle e le galassie nel nostro universo, alcuni esperti calcolano che la costante sia di 69,8 km/s/Mpc, mentre altri trovano che arrivi fino a 74 km/s/Mpc, a seconda del metodo di misurazione. Altri ancora hanno suggerito soluzioni che si collocano in mezzo tra questi valori. Queste discrepanze dimostrano che, forse, i nostri modelli non sono completi. Per risolvere la questione non è servito neppure l'incontro tra i migliori menti nel mondo della fisica tenutosi nel 2019 presso il Kavli Institute for Theoretical Physics in California. Da allora, gli scienziati hanno continuato a depennare le possibili spiegazioni per la tensione di Hubble da un elenco che si può consultare on line.
Bene, oggi il JWST ha contribuito a cancellare un altro elemento dalla lista. In poche parole, ha dimostrato che la cosiddetta "crisi" probabilmente non è dovuta a problemi tecnici con le misurazioni effettuate dal suo predecessore e collega, il telescopio Hubble.
"Le misurazioni di Webb forniscono la prova più evidente che gli errori sistematici nella fotometria delle Cefeidi di Hubble non svolgono un ruolo significativo nell'attuale tensione di Hubble", ha affermato Riess nel comunicato.
Le Cefeidi sono stelle supergiganti, centomila volte più luminose del Sole. Sono astri pulsanti (cioè si espandono e si contraggono in termini di dimensioni) su periodi di settimane. Ed è, grazie a questa loro caratteristica, che il valore intrinseco della loro luminosità è noto e per questo sono considerate candele standard perché sono tra gli indicatori più precisi di distanza nel cosmo.
Il risultato a cui hanno portato le osservazioni del JWST costituisce un vero problema perché se la discrepanza non dovuta a motivi tecnici, allora da cosa dipende?
Questo diagramma illustra la potenza combinata dei telescopi spaziali Hubble e Webb della NASA nel determinare le distanze precise di una classe speciale di stelle variabili, chiamate Cefeidi, che viene utilizzata per calibrare il tasso di espansione dell’universo. La contaminazione della luce proveniente dalle stelle circostanti può rendere meno precisa la misurazione della luminosità di una Cefeide. La visione infrarossa più nitida di Webb consente di isolare più chiaramente un bersaglio dalle stelle circostanti, come si vede nella parte destra del diagramma. I dati Webb confermano l’accuratezza di 30 anni di osservazioni di Hubble
Crediti: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI).
Hubble non si sbagliava
Hubble è uno strumento chiave utilizzato dagli astronomi per risolvere la tensione di Hubble perché è in grado di misurare la luminosità stellare con incredibile precisione. Questo parametro ci dice quanto le stelle sono lontane poiché conosciamo il valore costante della velocità della luce nel vuoto e quindi possiamo calcolare quanto tempo ha viaggiato per raggiungerci. Gli scienziati ritengono che ricavare questo tipo di informazioni da molte stelle, possa aiutare a calcolare la costante di Hubble.
"Prima del lancio di Hubble nel 1990", ha spiegato Riess, "il tasso di espansione dell'universo era così incerto che gli astronomi non erano sicuri se l'universo si fosse espanso per 10 o 20 miliardi di anni".
Tuttavia, Hubble ha dei limiti: non è abbastanza sensibile alle lunghezze d'onda della luce infrarossa, che si trovano oltre l'estremità rossa dello spettro elettromagnetico e rimangono invisibili agli occhi umani. "Sfortunatamente", ha detto Riess, "la visione della luce rossa di Hubble non è nitida come quella blu, quindi la luce delle stelle Cefeidi che vediamo lì è mescolata con altre stelle nel suo campo visivo".
Ma la visione a infrarossi è importante quando si osservano oggetti lontani perché la luce proveniente da fonti remote viene "allungata" lungo il percorso verso il nostro punto di osservazione sulla Terra, cioè si sposta verso la parte rossa dello spettro (il famoso redshift). Inoltre, la luce infrarossa ha la capacità di passare indenne attraverso la polvere che permea alcune regioni del cosmo. Senza espandere la sensibilità delle osservazioni verso il rosso, se una Cefeide fosse bloccata dietro un velo di materia interstellare potrebbe sembrare più lontana di quanto non sia in realtà.
"Possiamo tenere conto della quantità media di miscelazione, statisticamente, nello stesso modo in cui un medico calcola il peso sottraendo il peso medio dei vestiti dalla lettura della bilancia", ha detto Riess. "Ma farlo aggiunge rumore alle misurazioni. I vestiti di alcune persone sono più pesanti di altri".
Il JWST, invece, situato a circa 1,6 milioni di chilometri dalla Terra, è costruito per svelarci l’universo a infrarossi.
"Nel primo anno di operazioni Webb con il nostro programma General Observers 1685, abbiamo raccolto osservazioni delle Cefeidi trovate da Hubble in due step, lungo quella che è conosciuta come la scala della distanza cosmica", ha detto Riess.
Il primo passo prevedeva l'osservazione delle Cefeidi in una galassia con una distanza geometrica nota a scopo di calibrazione. Quella galassia era NGC 4258. Il secondo passo è stato osservare le Cefeidi in altre galassie per verificare sostanzialmente se le osservazioni di Hubble fossero corrette. "Se Hubble si stava sbagliando, beh, forse avevamo finalmente capito perché c'è una discrepanza".
Ma le osservazioni di Hubble erano giuste.
"Non mi interessa quale sarà il valore della costante di Hubble", ha commentato Riess durante la conferenza sul Primo Anno di Scienze del JWST.. "Voglio capire perché i nostri migliori strumenti, i nostri strumenti gold standard, non sono d'accordo tra loro".
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