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6 minuti di letturaEnergia oscura e costante di Hubble: nuove stime dai vuoti cosmici

La quantità di dati a disposizione degli astrofisici oggi è enorme. Meno male, perché in questo modo è possibile verificare con osservazioni indipendenti che cosa sta succedendo nell’universo. Di recente i dati misurati dal satellite ESA Planck della radiazione cosmica di fondo e i dati misurati con le supernovae di tipo Ia danno stime diverse per quanto riguarda la costante di Hubble, la costante che misura il tasso di espansione dell’universo. Per esempio, i dati di Planck ci danno un tasso pari a circa 67 km/s/Mpc, mentre le supernovae danno un valore intorno a 72 km/s/Mpc. Ma il problema, come ben sapete se siete lettori affezionati di questo blog, non è tanto la diversità della stima, ma piuttosto il fatto che gli errori associati a queste due stime sono molto piccoli. È davvero difficile oggi pensare quindi che i due valori diversi siano solo il risultato di una fluttuazione statistica.

Per questo motivo è bene riuscire a ottenere altre stime indipendenti. Alcuni miei ex-colleghi dell’ICG (Institute of Cosmology and Gravitation di Portsmouth – sono stato là dal 2012 al 2016), Seshadri Nadathur e Florian Beutler, insieme a Will Percival (che è un ex-ICG) della University of Waterloo e Hans A. Winther della University of Oslo, hanno fatto un gran lavoro per cercare di stimare la costante di Hubble; per fare ciò hanno usato la distribuzione su grande scala delle galassie nell’universo, quindi niente radiazione di fondo e niente supernovae. Si tratta di un modo diverso dal solito per stimare la costante di Hubble e il risultato che hanno ottenuto è molto interessante.

Nadathur et al. hanno ottenuto usato per la loro analisi i dati della distribuzione di galassie nell’universo (quella che trovate spesso indicata con LSS, cioè Large Scale Structure). In particolare hanno correlato le posizioni delle galassie con le posizioni dei vuoti, cioè regioni con bassa densità di materia. A ciò hanno aggiunto i dati delle Baryonic Acoustic Oscillations (BAO, per gli amici).

Partiamo dai vuoti cosmici: che cosa sono?

I vuoti sono semplicemente regioni dell’universo con una bassa densità di materia, quindi con poche galassie. La domanda più immediata che salta in mente non appena si fa questa definizione è: quanto grande può essere un vuoto? Dipende: ciò che si fa è definire una soglia per la densità. Se la densità è al di sotto della soglia, allora abbiamo un vuoto. Tranquilli, gli astrofisici non fanno queste cose a mano, usano un qualche algoritmo che digerisce un qualche catalogo o mappa della distribuzione di galassie osservata da un satellite o da un telescopio.

Fin qua tutto bene. Ciò che hanno fatto Nadathur et al. nel loro articolo è stato misurare quante galassie ci sono, in media, nei pressi di un vuoto cosmico. Si può in generale misurare una correlazione tra la posizione delle galassie intorno ai vuoti cosmici e le posizioni dei vuoti. Questa correlazione contiene informazioni sulla distribuzione globale della materia nell’universo.

E ora passiamo alle BAO: che cosa sono?

Le BAO sono altre correlazioni nella distribuzione delle galassie e hanno origine da fenomeni che riguardano l’epoca in cui si è formata la radiazione cosmica di fondo. A quei tempi la materia e la radiazione erano molto legati in un unico fluido (gli elettroni interagivano continuamente con gli elettroni); quindi da una parte la materia collassava per effetto della gravità, dall’altra parte la pressione di questo fluido controbilanciava il collasso. Risultato: oscillazioni di materia, cioè oscillazioni, possiamo dirlo, acustiche, visto che le onde sonore non sono altro che onde di densità di materia che si propagano in un fluido. Tutto procede bene, oscillando, finché radiazione e materia sono unite. Poi, a un certo punto, si formò la radiazione cosmica di fondo, cioè la radiazione e la materia si disaccoppiarono. La radiazione andò dunque per i fatti suoi in giro per l’universo e invece la materia smise di oscillare in questo fluido: la lunghezza d’onda dell’oscillazione raggiunta al momento del disaccoppiamento è un’impronta stampata per sempre nella distribuzione di materia dell’universo. Prometto che farò un post solo sulle BAO: ci sono tantissime cose da dire, nonostante siano state osservate per la prima volta solo nel 2005.

L’oscillazione acustica della materia al tempo della formazione della radiazione di fondo ha prodotto un eccesso di galassie su scale che corrispondono a quella lunghezza d’onda di oscillazione (Crediti: BOSS)

Quindi dovete pensare alla materia come a un sacco di bimbi ciascuno che oscilla felice su un’altalena insieme alla radiazione (cioè ai fotoni). A un certo punto i fotoni sono scappati e immaginate che la tutti i bimbi si siano fermati, bloccati mentre oscillavano. La maggior parte dei bimbi si sarà fermata a una certa altezza precisa rispetto alla posizione di riposo dell’altalena, magari perché sono tutti partiti a oscillare nello stesso medesimo istante con la stessa medesima spinta iniziale (è un’analogia, è imprecisa, ma spero renda l’idea). A questo punto se andassimo a considerare la distribuzione di bimbi bloccati sulle altalene, ne troveremmo quindi un sacco a una certa altezza particolare. Ecco: allo stesso modo, la materia nell’universo primordiale oscillava con i fotoni, poi i fotoni sono andati via e le oscillazioni si sono bloccate; oggi vediamo dunque un eccesso di materia (cioè di galassie) su una certa scala che corrisponde proprio alla scala di quelle oscillazioni al tempo della radiazione cosmica di fondo.

Che cosa hanno ottenuto Nadathur et al.

Ma torniamo ai risultati di Nadathur e compagni. Il punto è che questi dati sono un tipo di osservazione indipendente sia dalla radiazione cosmica di fondo sia dalle supernovae. Nadathur et al. hanno studiato galassie a un certo redshift, cioè a una certa epoca dell’universo e hanno trovato tre cose interessanti.

La prima cosa interessante è che usando questi dati salta fuori che l’universo accelera. Lo sapevamo già, ma non fa certo male un’ulteriore conferma. Inoltre, il risultato numerico è che il parametro che descrive l’energia oscura responsabile dell’accelerazione dell’universo vale 0,60 (cioè l’energia oscura è il 60% di ciò c’è nell’universo). Anche questo risultato è in linea con le altre stime. Ma c’è di più: Nadathur et al. stimano questo valore 0,60 con un errore al massimo del 10%. Voi direte, ah beh, altino. Ma è così? No: pensate allora che con le supernova l’errore è pari al 17%. Siamo quindi di fronti a un grosso miglioramento.

Guardiamo insieme questo grafico tratto dal lavoro di Nadathur et al. e proviamo a tirare le fila.

Questo è un grafico che mette in relazione la stima sulla quantità di materia nell’universo (asse verticale) e la costante di Hubble (asse orizzontale). La striscia grigia verticale (Riess+ 2019) si riferisce alle stime ottenute con le supernovae, mentre le ellissi si riferiscono a stime che mettono insieme diverse osservazioni. Più sono piccole le ellissi, più è precisa la stima.

Partiamo dall’ellisse rosa: quella è la stima con la radiazione cosmica di fondo ottenuta da ESA Planck. Come vedete tutte le altre stime non sono paragonabili, ma almeno le ellissi si sovrappongono tra loro quindi sono consistenti. Invece la striscia delle supernovae è molto staccata dalla stima di Planck: questa è infatti una rappresentazione della crisi della stima della costante di Hubble.

Ma che cosa sono le altre ellissi? sono stime che mettono insieme BAO, vuoti cosmici e le stime della nucleosintesi del Big Bang (BBN, Big Bang Nucleosynthesis), ovvero le stime, quest’ultime, relative alle abbondanze di idrogeno, elio e litio nell’universo. Per la precisione: l’ellisse verde non contiene i vuoti e contiene solo le BAO per alcune galassie; l’ellisse arancione contiene i vuoti e alcune BAO; l’ellisse blu contiene sia i vuoti sia tutti i dati sulle BAO.

Notiamo che aggiungere i vuoti quando si fanno le stime della costante di Hubble aumenta la precisione di molto, visto che le ellissi diventano via via più piccole. L’ellisse blu, quella dove c’è tutto dentro, si trova proprio a cavallo tra la stima di Planck e la stima delle supernovae: questo vuol dire che lo studio dei vuoti cosmici, ma più in generale lo studio della struttura su grande scala dell’universo attraverso i vuoti cosmici, potrà diventare un argomento decisivo per dirimere la questione della crisi della costante di Hubble

Inoltre, quelle date da vuoti, supernovae e radiazione di fondo sono tutte stime della costante di Hubble ottenute in modo indipendente. Ormai gli astrofisici lo pensano da anni, ma ogni giorno arriva una nuova conferma che deve esserci un motivo fisico ben preciso per la crisi sulla stima costante di Hubble.


E quindi ora? Ora ci vorrà il massimo dispiegamento di forse e di lavoro astrofisico. Il satellite ESA Euclid, che sarà lanciato nei prossimi anni, studierà in super dettaglio la distribuzione delle galassie, raccogliendo una vagonata di dati con precisione e accuratezza senza precedenti. Ancora una volta, come è sempre stato nel destino dell’astrofisica, la comprensione dell’universo passa per l’analisi dei big data. Il problema è che i dati devono essere sempre più big man mano che vogliamo avvicinarci a scoperte sempre più great.

Se tutto ciò che vi ho raccontato in questo post vi interessa, allora magari potrà interessarvi anche ascoltare il resoconto su questa analisi fatta proprio da Sesh in persona: il video è qui sotto.

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