Sin dal suo inizio 13,8 miliardi di anni fa, l'universo ha continuato ad espandersi, disseminando centinaia di miliardi di galassie e stelle come uva passa in un impasto in rapida crescita. Gli astronomi hanno puntato telescopi su certe stelle e altre sorgenti cosmiche per misurare la loro distanza dalla Terra e il loro tasso di rimozione, due parametri necessari per calcolare la costante di Hubble, un'unità di misura che descrive la velocità con cui l'universo si espande.
Ma fino ad oggi, i tentativi più accurati di stimare la costante di Hubble hanno fornito valori molto dispersi e non hanno permesso di trarre una conclusione finale sulla velocità con cui l'universo sta crescendo. Queste informazioni, secondo gli scienziati, dovrebbero far luce sull'origine dell'Universo e sul suo destino: il cosmo si espanderà all'infinito o un giorno si ridurrà?
E così, gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology e dell'Università di Harvard hanno proposto un modo più accurato e indipendente per misurare la costante di Hubble usando le onde gravitazionali emesse da sistemi relativamente rari: un sistema binario buco nero-stella di neutroni, una coppia energetica intrecciata a spirale da un buco nero e una stella di neutroni. Mentre questi oggetti si muovono nella danza, creano onde tremanti dello spazio-tempo e un lampo di luce quando si verifica la collisione finale.
In un articolo pubblicato il 12 luglio su Physical Review Letters, gli scienziati hanno affermato che il lampo di luce consentirebbe agli scienziati di stimare la velocità del sistema, cioè la velocità con cui si sta allontanando dalla Terra. Le onde gravitazionali emesse, se catturate sulla Terra, dovrebbero fornire una misurazione indipendente e accurata della distanza dal sistema. Nonostante il fatto che i sistemi binari di buchi neri e stelle di neutroni siano incredibilmente rari, gli scienziati stimano che la scoperta anche di alcuni di essi renderà la stima più accurata della costante di Hubble e del tasso di espansione dell'universo fino ad oggi.
"I sistemi binari di buchi neri e stelle di neutroni sono sistemi molto complessi di cui sappiamo molto poco", afferma Salvatore Vitale, professore associato di fisica al MIT e autore principale dell'articolo. "Se ne troviamo uno, il premio sarà la nostra svolta radicale nella comprensione dell'universo".
Vitale è coautore di Hsin-Yu Chen di Harvard.
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Costanti in competizione
Di recente sono state effettuate due misurazioni indipendenti della costante di Hubble, una utilizzando il telescopio spaziale Hubble della NASA e l'altra utilizzando il satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea. La misurazione di Hubble si basava sulle osservazioni di una stella nota come variabile Cefeide, nonché sulle osservazioni di supernove. Entrambi questi oggetti sono considerati "candele standard" per la prevedibilità della luminosità, in base alla quale gli scienziati stimano la distanza da una stella e la sua velocità.
Un altro tipo di valutazione si basa sull'osservazione delle fluttuazioni nel fondo cosmico a microonde, radiazione elettromagnetica rimasta dopo il Big Bang, quando l'universo era ancora agli inizi. Sebbene le osservazioni di entrambe le sonde siano estremamente accurate, le loro stime della costante di Hubble differiscono notevolmente.
"Ed è qui che entra in gioco LIGO", afferma Vitale.
LIGO, o osservatorio di onde gravitazionali interferometriche laser, cerca le onde gravitazionali - increspature sul tessuto dello spazio-tempo, che nasce a seguito di cataclismi astrofisici.
"Le onde gravitazionali forniscono un modo molto semplice e facile per misurare le distanze dalle loro sorgenti", afferma Vitale. "Quello che abbiamo trovato con LIGO è un'impronta diretta della distanza dalla sorgente, senza ulteriori analisi".
Nel 2017, gli scienziati hanno avuto la prima possibilità di stimare la costante di Hubble da una sorgente di onde gravitazionali quando LIGO e la sua controparte italiana Virgo hanno scoperto per la prima volta nella storia una coppia di stelle di neutroni in collisione. Questa collisione ha rilasciato un'enorme quantità di onde gravitazionali, che gli scienziati hanno misurato per determinare la distanza dalla Terra al sistema. La fusione ha anche emesso un'esplosione di luce, che gli astronomi sono stati in grado di analizzare con telescopi terrestri e spaziali per determinare la velocità del sistema.
Dopo aver ottenuto entrambe le misurazioni, gli scienziati hanno calcolato un nuovo valore per la costante di Hubble. Tuttavia, la stima è arrivata con un'incertezza relativamente ampia del 14%, molto più incerta rispetto ai valori calcolati utilizzando Hubble e Planck.
Vitale dice che gran parte dell'incertezza deriva dal fatto che interpretare la distanza da un sistema binario alla Terra è difficile usando le onde gravitazionali generate da quel sistema.
"Misuriamo la distanza osservando quanto è 'forte' l'onda gravitazionale, ovvero quanto saranno puliti i nostri dati su di essa", afferma Vitale. “Se tutto è chiaro, puoi vedere che è forte e determinare la distanza. Ma questo è solo parzialmente vero per i sistemi binari ".
Il fatto è che questi sistemi, che generano un disco di energia vorticoso mentre si sviluppa la danza di due stelle di neutroni, emettono onde gravitazionali in modo non uniforme. La maggior parte delle onde gravitazionali viene proiettata dal centro del disco, mentre molto meno viene emessa dai bordi. Se gli scienziati rilevano un segnale di onda gravitazionale "forte", questo può indicare uno dei due scenari: le onde rilevate nascono ai bordi di un sistema molto vicino alla Terra, o le onde provengono dal centro di un sistema molto più lontano.
"Nel caso di sistemi binari stellari, è molto difficile distinguere tra le due situazioni", afferma Vitale.
Nuova ondata
Nel 2014, anche prima che LIGO rilevasse le prime onde gravitazionali, Vitale ei suoi colleghi hanno osservato che un sistema binario di un buco nero e una stella di neutroni potrebbe fornire una misurazione della distanza più accurata rispetto alle stelle di neutroni binarie. Il team ha studiato la precisione con cui è possibile misurare la rotazione di un buco nero, a condizione che questi oggetti ruotino sul loro asse, come la Terra, solo più velocemente.
I ricercatori hanno modellato vari sistemi di buchi neri, inclusi sistemi di stelle di neutroni di buchi neri e sistemi di stelle di neutroni binari. Lungo la strada, è stato scoperto che la distanza dal buco nero - sistemi di stelle di neutroni può essere determinata in modo più accurato rispetto alle stelle di neutroni. Vitale dice che ciò è dovuto alla rotazione del buco nero attorno alla stella di neutroni perché aiuta a determinare meglio da dove provengono le onde gravitazionali nel sistema.
"A causa della misurazione della distanza più accurata, ho pensato che i sistemi binari buco nero-stella di neutroni potessero essere un punto di riferimento migliore per misurare la costante di Hubble", dice Vitale. "Da allora, sono successe molte cose con LIGO e sono state scoperte onde gravitazionali, quindi tutto è passato in secondo piano."
Vitale è recentemente tornato alla sua osservazione originale.
"Fino ad ora, le persone hanno preferito le stelle di neutroni binarie come un modo per misurare la costante di Hubble utilizzando le onde gravitazionali", dice Vitale. “Abbiamo dimostrato che esiste un altro tipo di sorgente di onde gravitazionali che non è stata completamente sfruttata prima: buchi neri e stelle di neutroni che danzano. LIGO inizierà nuovamente a raccogliere dati a gennaio 2019 e sarà molto più sensibile, il che significa che possiamo vedere oggetti più distanti. Pertanto, LIGO sarà in grado di vedere almeno un sistema di un buco nero e una stella di neutroni, e preferibilmente tutti e venticinque, e questo aiuterà a risolvere la tensione esistente nella misurazione della costante di Hubble, si spera, nei prossimi anni.
Ilya Khel
