La sfida di misurare l'espansione dell'universo con il telescopio Hubble

Misurare l'espansione dell'universo

Uno degli obiettivi principali del telescopio Hubble è quello di misurare la cost ante di Hubble. Quest'ultima è il tasso di espansione dell'universo. Dalla metà degli anni 2000, fu avviato un progetto per utilizzare gli strumenti standard in astronomia per misurare le distanze. Si tratta delle stelle pulsanti o cefeidi. Questo per cercare di compiere le misure più precise mai effettuate per capire lo stato dell’Universo. All’epoca nuove osservazioni relative ai primi anni dell'universo, il cosiddetto fondo cosmico a microonde, stavano iniziando a fornire le previsioni molto precise sulla velocità alla quale l'universo dovrebbe oggi espandersi.

Il primo è stato il satellite WMAP per il fondo cosmico a microonde, una missione della NASA dell’inizio degli anni duemila, cui ha lasciato il posto a Planck, un satellite dell’ESA ancora più preciso misurando il fondo cosmico a microonde utilizzando un modello che chiamiamo modello standard della cosmologia. Per estrapolarne il valore fino all’epoca attuale si è stimato che l'universo dovrebbe espandersi usando le nostre buffe unità di misura a 67,4 +- 0,5 (km/s)/Mpc il che significa grosso modo che l’Universo raddoppierà in circa 10 miliardi di anni. Usando il telescopio spaziale Hubble e alcuni di questi strumenti le variabili cefeidi e le supernove di tipo 1A, abbiamo determinato che il tasso di espansione locale è invece di circa 73,0 +- 1,0 (km/s)/Mpc, che è la misura locale o attuale più precisa del tasso d’espansione, ma si discosta dal valore atteso, quello previsto, cioè partendo dallo stato dell’Universo poco dopo il Big Bang, unito alla nostra comprensione dell’Universo, il modello cosmologico. In effetti questi due valori ora sono lontani l'uno dall'altro di circa cinque volte la loro barra d'errore un fenomeno che oggi chiamiamo tensione di Hubble.

Confronto tra modelli e misure

Per fare un'analogia è come se misurassimo l'altezza di un bimbo di due anni questo corrisponde a misura del fondo cosmico al microonde e poi adottassimo un modello di sviluppo dei bambini per prevedere quanto dovrebbe essere alto in età ad adulta; un valore che andremo a misurando quanto quanto effettivamente è diventato alto crescendo. Questo è il confronto che stiamo facendo tra lo stato attuale della misura e una misura molta precisa presa però in un universo più giovane applicando un modello come una curva di crescita di un bambino per prevedere quanto sarà alto. Abbiamo, però, una grossa differenza, nel caso dei bambini ne abbiamo visti crescere molti e abbiamo un ottima comprensione della curva di crescita, mentre di universi ne abbiamo uno soltanto ed è pieno di cose di cui non comprendiamo la natura per cui non è assurdo pensare che potrebbe mancare qualcosa alla nostra comprensione.

Sfide nella comprensione dell'universo

Per prevedere di estrapolare lo stato dell’Universo dall’inizio ad oggi dobbiamo comprendere le sue componenti, in particolare due componenti di cui la natura non è ben chiara e costituiscono il 96% dell’Universo: la materia oscura e l’energia oscura. L’eneriga oscura costituisce circa al 70% e la materia oscura probabilmente il 25-27% e non capiamo bene nei dettagli cosa siano esattamente, non ne comprendiamo la microfisica. Per formulare le nostre previsioni assumiamo così che abbiano forme il più semplici e chiare possibili osservando dunque questa tensione, una possibilità, non l'unica, è che siano in realtà più complicate, che ci sia dietro una storia più complessa, o qualche altro aspetto dell’Universo che proprio ci sfugge. Il telescopio spaziale Hubble ha lavorato alla misura della costante di Hubble più o meno per circa per tutta la sua esistenza, circa trent’anni. L’obiettivo iniziale era di misurarla con un incertezza del 10% e credo che sia stato raggiunto con successo nei primi anni 2000 anni. Ora ci troviamo in quella che definirei la seconda generazione di misure della costante di Hubble che mira ad una precisione più vicina a livello dell’1%, e credo che Hubble soprattutto con i suoi nuovi strumenti abbia sicuramente raggiunto le capacità necessarie, Hubble ha veramente fornito dati con la qualità necessari e del calibro per fornire queste misure.