La velocità con cui l’Universo si sta espandendo, nota come costante di Hubble, è uno dei parametri fondamentali per comprendere l’evoluzione e il destino ultimo del cosmo. Tuttavia, si osserva una differenza persistente, chiamata Tensione di Hubble, tra il valore della costante misurato con un’ampia gamma di indicatori di distanza indipendenti e il suo valore previsto dal bagliore residuo del Big Bang. Il telescopio spaziale James Webb di NASA/ESA/CSA ha confermato che l’occhio attento del telescopio spaziale Hubble ha sempre avuto ragione, cancellando ogni dubbio persistente sulle misurazioni di Hubble.
Una delle giustificazioni scientifiche per la costruzione del telescopio spaziale Hubble di NASA/ESA è stata quella di utilizzare il suo potere di osservazione per fornire un valore esatto del tasso di espansione dell’Universo. Prima del lancio di Hubble nel 1990, le osservazioni effettuate con i telescopi terrestri rivelavano enormi incertezze. A seconda dei valori dedotti per il tasso di espansione, l’Universo poteva avere un’età compresa tra 10 e 20 miliardi di anni. Negli ultimi 34 anni, Hubble ha ridotto questa misurazione a una precisione inferiore all’1%, dividendo la differenza con un valore di età di 13,8 miliardi di anni. Ciò è stato ottenuto perfezionando la cosiddetta “scala delle distanze cosmiche” misurando importanti indicatori intermedi noti come stelle variabili Cefeidi.
Tuttavia, il valore di Hubble non concorda con altre misurazioni che implicano che l’Universo si stesse espandendo più velocemente dopo il Big Bang. Queste osservazioni sono state effettuate grazie alla mappatura della radiazione cosmica di fondo a microonde (un modello di come l’Universo evolverebbe la struttura dopo essersi raffreddato dal Big Bang), effettuata dal satellite Planck dell’ESA.
Webb conferma Hubble
La soluzione semplice al dilemma sarebbe dire che forse le osservazioni di Hubble sono sbagliate, a causa di qualche imprecisione che si insinua nelle sue misurazioni dei parametri dello spazio profondo. Poi è arrivato il telescopio spaziale James Webb, che ha consentito agli astronomi di verificare i risultati di Hubble. Le viste a infrarossi delle Cefeidi di Webb concordavano con i dati sulla luce ottica di Hubble. Webb ha confermato che l’occhio attento del telescopio Hubble ha sempre avuto ragione, cancellando ogni dubbio persistente sulle sue misurazioni.
La conclusione è che la cosiddetta Tensione di Hubble tra ciò che accade nell’Universo vicino e l’espansione dell’Universo primordiale rimane un fastidioso enigma per i cosmologi. Potrebbe esserci qualcosa intrecciato nel tessuto dello spazio che ancora non comprendiamo.
La collaborazione Webb-Hubble
Risolvere questa discrepanza richiede una nuova fisica? Oppure è il risultato di errori di misurazione tra i due diversi metodi utilizzati per determinare la velocità di espansione dello spazio? Hubble e Webb hanno ora collaborato per produrre misurazioni definitive, favorendo l’ipotesi che qualcos’altro – non errori di misurazione – stia influenzando il tasso di espansione.
“Una volta annullati gli errori di misurazione, ciò che rimane è la reale ed entusiasmante possibilità che abbiamo frainteso l’Universo”, ha affermato Adam Riess, fisico della Johns Hopkins University di Baltimora. Riess ha ricevuto un Premio Nobel per aver co-scoperto il fatto che l’espansione dell’Universo sta accelerando, a causa di un misterioso fenomeno ora chiamato “energia oscura”.
Come controllo incrociato, una prima osservazione di Webb nel 2023 ha confermato che le misurazioni di Hubble dell’Universo in espansione erano accurate. Tuttavia, sperando di ridurre la Tensione di Hubble, alcuni scienziati hanno ipotizzato che gli errori invisibili nella misurazione potrebbero aumentare e diventare visibili man mano che guardiamo più in profondità nell’Universo. In particolare, l’affollamento stellare potrebbe influenzare in modo sistematico le misurazioni della luminosità di stelle più distanti.
Il team SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), guidato da Riess, ha ottenuto ulteriori osservazioni con Webb di oggetti che sono importanti indicatori cosmici, noti come stelle variabili Cefeidi, che ora possono essere correlati con i dati di Hubble. “Abbiamo ora coperto l’intera gamma di ciò che Hubble ha osservato e possiamo escludere un errore di misurazione come causa della Tensione di Hubble con una sicurezza molto elevata”, ha detto Riess.
Le prime osservazioni Webb effettuate dal team nel 2023 sono riuscite a dimostrare che Hubble era sulla strada giusta per stabilire con fermezza la fedeltà dei primi gradini della cosiddetta scala delle distanze cosmiche.
Gli astronomi utilizzano vari metodi per misurare le distanze relative nell’Universo, a seconda dell’oggetto osservato. Collettivamente queste tecniche sono conosciute come scala della distanza cosmica: ogni ramo o tecnica di misurazione si basa sul passaggio precedente per la calibrazione.
Ma alcuni astronomi hanno suggerito che, spostandosi verso l’esterno lungo il “secondo gradino”, la scala della distanza cosmica potrebbe traballare se le misurazioni delle Cefeidi diventassero meno accurate con la distanza. Tali imprecisioni potrebbero verificarsi perché la luce di una Cefeide potrebbe fondersi con quella di una stella adiacente, un effetto che potrebbe diventare più pronunciato con la distanza man mano che le stelle si affollano nel cielo e diventano più difficili da distinguere l’una dall’altra.
La sfida osservativa è che le immagini passate di Hubble di queste variabili Cefeidi più distanti sembrano più raggruppate e sovrapposte alle stelle vicine a distanze sempre maggiori tra noi e le loro galassie ospiti, richiedendo un’attenta considerazione di questo effetto. La polvere interposta complica ulteriormente la certezza delle misurazioni in luce visibile. Webb fende la polvere e isola naturalmente le Cefeidi dalle stelle vicine perché la sua visione è più nitida di quella di Hubble alle lunghezze d’onda dell’infrarosso. “La combinazione di Webb e Hubble ci offre il meglio di entrambi i mondi. Troviamo che le misurazioni di Hubble rimangono affidabili man mano che saliamo lungo la scala della distanza cosmica”, ha affermato Riess.
Le nuove osservazioni di Webb includono cinque galassie che ospitano otto supernovae di tipo Ia contenenti un totale di 1000 Cefeidi, e raggiungono la galassia più lontana dove le Cefeidi sono state ben misurate: NGC 5468, a una distanza di 130 milioni di anni luce. “Questo copre l’intera gamma in cui abbiamo effettuato misurazioni con Hubble. Quindi, siamo arrivati alla fine del secondo gradino della scala della distanza cosmica”, ha affermato il coautore Gagandeep Anand dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, che gestisce i telescopi Webb e Hubble per la NASA.
Ulteriori studi
Insieme, la conferma di Hubble e Webb della Tensione di Hubble predispone altri osservatori per risolvere il mistero, tra cui il prossimo Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA e la missione Euclid recentemente lanciata dall’ESA.
Al momento è come se la scala osservata da Hubble e Webb avesse saldamente fissato un punto di ancoraggio sulla riva di un fiume, e il bagliore residuo del Big Bang osservato dal Planck dall’inizio dell’Universo fosse saldamente fissato sull’altra sponda. Il modo in cui l’espansione dell’Universo stava cambiando nei miliardi di anni tra questi due punti finali deve ancora essere osservato direttamente. “Dobbiamo scoprire se ci manca qualcosa su come collegare l’inizio dell’Universo e il presente”, ha detto Riess.
Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista The Astrophysical Journal Letters.
