Quanto vale la costante di Hubble?5 min di lettura

Se seguite da un po’ Quantizzando allora sapete già della soap opera astrofisica più longeva di tutte, quella che riguarda la stima del valore della costante di Hubble, cioè quel parametro che ci racconta come si espande l’universo.

Oggi siamo alla puntata settemilaottocentoquindici, credo, ma potrei aver perso il conto.

Puntata 7815 o giù di lì. Una buona notizia arriva da lontano: è stata fatta una nuova misura precisissima del valore della costante di Hubble misurando le distanze delle galassie nell’universo grazie a vari telescopi, tra cui il telescopio spaziale Hubble. Ma purtroppo le cattive notizie restano: i conti non tornano con i dati della radiazione cosmica di fondo raccolti dal satellite ESA Planck. Che i conti non tornassero lo sapevamo già; ma ora questi nuovi precisissimi dati (raccolti e analizzati da un team di astrofisici di cui fa parte, tra gli altri, il premio Nobel Adam Riess) ci dicono che la discrepanza da i due valori ottenuti con metodi diversi è sempre più seria.

Hubble mentre legge in anteprima tutta la trama della soap opera sulla costante che porta il suo nome.

Come dite? Meglio fare un ripasso di tutto? Nessun problema, partiamo subito con un bel Nelle puntate precedenti, tranquilli.

Un prof amato

Edwin Hubble è stato uno degli astronomi più importanti della storia. Certo, ha avuto la fortuna di trovarsi al posto giusto al momento giusto, ma un po’ di fortuna non guasta quasi mai.
Hubble è ricordato proprio per la costante astronomica che porta il suo nome, la costante di Hubble, che è un parametro fondamentale per capire come evolve l’universo.

Prima di approdare all’osservatorio di Monte Wilson, California, e rivoluzionare la storia dell’astronomia, Hubble aveva fatto anche cose più terrene. Hubble era un uomo alto, un ottimo atleta, ed è stato anche un buon allenatore di basket, anche se ha svolto questo lavoro solo per un anno. Gli studenti della New Albany High School gli dedicarono l’annuario scolastico del 1914.
Lo stesso anno, poi, Hubble iniziò il suo PhD in astronomia all’Università di Chigago.
Finito il dottorato, la carriera di Hubble poteva iniziare. George Ellery Hale, fondatore dell’osservatorio di Monte Wilson, lo chiamò nel 1917 a lavorare con lui. Purtroppo però, c’era la Grande Guerra. E allora Hubble partì e rispose così a Hale: “Regret cannot accept your invitation. Am off to the war.

 

Al posto giusto nel momento giusto

Poi la guerra finì e Hubble fece tutto quello che sappiamo: puntò il telescopio Hooker, il più grande dell’epoca, verso Andromeda; là, analizzando la luce delle stelle di Andromeda, scoprì una Cefeide e determinò la distanza di Andromeda. Quindi capì che Andromeda non era una nebulosa, bensì un’altra galassia, come la nostra. Cioè capì che Andromeda non faceva parte della Via Lattea e che tutti gli oggetti di quel tipo erano altre galassie, di cui ora si poteva determinare la distanza.
Oltre alla distanza si poteva calcolare il redshift, cioè lo spostamento delle righe spettrali della luce della galassia. Hubble, nel 1929, trovò che più una galassia è lontana, più è alto il suo redshift: l’universo si espande, le galassie si stanno allontanando da noi.

La costante di Hubble

Il parametro che lega redshift e distanza delle galassie è proprio la costante di Hubble, che spunta fuori praticamente ovunque in astrofisica quando ci sono in gioco incertezze sulle stime delle distanze astronomiche. Hubble stimò un valore della costante pari a circa 500 (km/s/Mpc, cioè con tutte le sue unità di misura che non vi sto a dire); un valore molto grande e fuori misura rispetto a ciò che sappiamo oggi, dettato soprattutto dalle incertezze, ancora una volta, sulla stima delle distanze (IL problema in astrofisica, credo che ormai l’abbiate capito, ma se volete approfondire andate qua).

 

Come mai Hubble non ha mai vinto il premio Nobel?

Per un motivo molto semplice quanto ingenuo: il premio Nobel per la fisica non prendeva in considerazione, all’epoca, le scoperte nel campo dell’astronomia.

Risultato: non abbiamo dato il premio Nobel alla persona che ha scoperto che la nostra Galassia è solo una delle centinaia di miliardi di galassie dell’universo e inoltre che tutte queste galassie si stanno allontanando da noi.
Se esistesse, gli dovremmo dare, retroattivamente –  è chiaro, almeno il Premio Mindblowing nel 1929.

Ma la costante di Hubble oggi?

Bella domanda. No, dico davvero, è una domanda tosta e gli astrofisici vorrebbero tanto avere una risposta definitiva.
Le stime attuali sono per un valore di circa 70 km/s/Mpc, ma la faccenda non è così semplice. Oggi siamo nell’era dell’astrofisica che prova a spaccare il capello non in quattro, ma in sedici; cioè abbiamo a disposizione diversi modi per stimare la costante di Hubble e ogni stima ha la sua incertezza che deve fare i conti con tutte le altre stime.
C’è un gran dibattito, per esempio, sulle stime ottenute con la radiazione cosmica di fondo (CMB) e con misure locali di distanza delle galassie.
I dati CMB del satellite ESA Planck danno una stima per la costante di Hubble intorno a 67 km/s/Mpc, mentre misurando le distanze locali, come hanno fatto con i recenti dati del telescopio spaziale Hubble, si ottiene una stima di circa 73 km/s/Mpc. Indizi che abbiamo a che fare con una nuova fisica tutta da scoprire? Può darsi, non è chiaro.

Per capire meglio quale sia il problema, guardate questo grafico qui sotto in cui sono riportate diverse misure della costante di Hubble effettuate negli ultimi anni.

Grafico tratto da questo articolo di Wendy L. Freedman: https://arxiv.org/abs/1706.02739

In questo grafico abbiamo in rosso le stime ottenute confrontando il modello LCDM ai dati della radiazione di fondo, in blu invece le stime ottenute misurando le distanze delle galassie con i vari metodi della scala delle distanze.

Con il passare degli anni potete vedere come le barre d’errore stimate siano diventate sempre più piccole e come la discrepanza (o tensione, come viene chiamata in gergo astrofisico) sia diventata non più trascurabile.
Cavolo! Quindi che si fa? Quale stima è giusta? Dove sbattiamo la testa?

 

Ma cosa vuol dire questa tensione?

Potrebbe essere il segno di qualcosa di nuovo da scoprire. Si è pensato a una nuova specie di neutrini (vedi ultimo paragrafo di questo post) oppure a nuove “esotiche” (così dicono gli scienziati, ma forse meglio chiamarle alternative) forme di energia oscura che non siano la solita costante cosmologica.

Nel 2012 ci fu un workshop di tre giorni al Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology della Stanford University. I partecipanti all’incontro scrissero poi un articolo in cui fecero un resoconto delle cose importanti che si erano detti in quei giorni. Le cose fondamentali sono tre:

1) Misurare con precisione e accuratezza il valore della costante di Hubble può farci capire potenzialmente nuove cose e condurci verso nuove scoperte in fisica. In particolare riguardo la natura dell’energia oscura, della curvatura dell’universo (quindi un test della teoria dell’inflazione), le caratteristiche dei neutrini.

2) Bisogna arrivare a misure precise e accurate all’1%. Per farlo bisogna ridurre gli errori associati alla misura stimata, e quindi: migliorare la misura delle distanze delle galassie, usare sempre più supernovae (che vuol dire, costruire strumenti in grado di beccarne sempre più). In particolare, la cosa più difficile è misurare le distanze: bisogna tenere molte cose sotto controllo, non è facile, ma si può fare in teoria.

3) Usare più metodi possibili: avere diverse stime indipendenti è ossigeno puro in scienza per capire meglio cosa si sta misurando. In questa direzione, le neo-arrivate onde gravitazionali saranno importantissime (quest’ultima cosa l’aggiungo io, non c’era ancora, ovviamente, nell’articolo del workshop del 2012).

Sirene standard in arrivo

Nonostante l’eccitazione, giusta, per questi nuovi dati e per la possibilità di avere a che fare con della nuova fisica, credo che potrebbere essere molto saggio anche aspettare che ci arrivi una valanga di onde gravitazionali da misurare, magari con i prossimi aggiornamenti degli interferometri LIGO e Virgo. La cosa buona sarebbe beccare collisioni di stelle di neutroni, quelle che oltre alle onde gravitazionali emettono anche raggi gamma, cioè onde elettromagnetiche. Se si hanno a disposizione sia l’informazione elettromagnetica, sia quella gravitazionale, allora è possibile stimare in modo indipendente dal resto la distanza della galassia in cui è avvenuta la collisione. E con in mano la distanza ecco che si può stimare la costante di Hubble. Questo metodo è chiamato metodo delle sirene standard ed è molto potente (ne ho già parlato anche su Quantizzando, potete leggere il post qua); al momento di collisioni di stelle di neutroni ne abbiamo beccata solo una e quindi la stima è di 70 km/s/Mpc. Niente male come primo tentativo, in sintonia con le stime ottenute tramite gli altri metodi; ma gli errori con le sirene standard sono ancora piuttosto grandi, ci vogliono più sirene se vogliamo ottenere qualcosa di solido. In futuro riusciremo sicuramente a essere più precisi e potremo finalmente capire qual è la misura più vicina a quella statisticamente giusta.

Nelle prossime puntate

 

Tutto questo per dire che la stima del valore della costante di Hubble continuerà a essere un argomento centrale in astrofisica nei prossimi anni con tutte le nuove missioni e progetti spaziali che inizieranno a raccogliere dati. Tutto si gioca, come sempre in astrofisica, attorno alla stima delle barre di errore stimate attraverso i vari metodi.

Meglio essere preparati, c’è già parecchia tension in giro.