Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Matavimai, come determinare la costante di Hubble: Tensione

Discrepanze tra le misurazioni locali e quelle dell'Universo primordiale, sollevando nuove questioni cosmologiche

Perché H0 importante

La costante di Hubble (H0) descrive l'attuale velocità di espansione dell'Universo, solitamente espressa in chilometri al secondo per megaparsec (km/s/Mpc). Una stima precisa di H0 in cosmologia è molto importante perché:

  1. Indica l'età dell'Universo, se si estrapola l'espansione indietro nel tempo.
  2. Calibra la scala delle distanze per altre misurazioni cosmiche.
  3. Aiuta a risolvere ambiguità nei parametri cosmologici (es. densità di materia, parametri dell'energia oscura).

Tradizionalmente gli astronomi misurano H0 in due modi differenti:

  • Metodo locale (scala delle distanze): Partendo dal parallasse per Cefeidi o TRGB (cima delle giganti rosse), poi usando supernove di tipo I. Questo fornisce una misura diretta della velocità di espansione nell'Universo relativamente vicino.
  • Metodo dell'Universo Primordiale: H0 è derivato dai dati della radiazione cosmica di fondo (CMB) secondo un modello cosmologico scelto (ΛCDM) e oscillazioni acustiche barioniche (BAO) o altri vincoli.

Negli ultimi anni questi due metodi forniscono valori diversi di H0: più alto (~73–75 km/s/Mpc) dal metodo locale e più basso (~67–68 km/s/Mpc) dai calcoli basati su CMB. Questa discrepanza, chiamata “tensione di Hubble”, indica o nuova fisica oltre il ΛCDM standard, o errori sistematici non risolti in uno o entrambi i metodi.

2. Scala delle Distanze Locale: Per Passi

2.1 Parallasse e Calibrazione

La base della scala delle distanze locali è il parallasse (trigonometrico) per oggetti vicini (missione Gaia, parallassi HST per Cefeidi, ecc.). Il parallasse determina la scala assoluta per oggetti standard come le stelle variabili Cefeidi, che hanno una ben definita relazione periodo-luminosità.

2.2 Cefeidi e TRGB

  • Stelle variabili Cefeidi: Passo fondamentale per calibrare indicatori distanti, come le supernove di tipo I. Freedman e Madore, Riess e altri (team SHoES) e altri hanno migliorato la calibrazione locale delle Cefeidi.
  • Cima delle Giganti Rosse (TRGB): Un altro metodo che sfrutta la luminosità delle stelle giganti rosse al momento dell'accensione dell'elio (nelle popolazioni povere di metalli). Il team Carnegie–Chicago (Freedman e altri) ha raggiunto una precisione di ~1% in alcune galassie locali, offrendo un'alternativa alle Cefeidi.

2.3 Supernove di tipo I

Quando le Cefeidi (o TRGB) nelle galassie diventano punti di ancoraggio per la calibrazione delle luminosità delle supernove, le supernove possono essere osservate fino a centinaia di Mpc di distanza. Confrontando la luminosità misurata della supernova con la luminosità assoluta derivata, si ottiene la distanza. Combinando lo spostamento verso il rosso e la distanza, si ricava localmente H0.

2.4 Misurazioni Locali

Riess e altri (SHoES) spesso determinano H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (errore ~1,0–1,5%). Freedman e altri (TRGB) trovano ~69–71 km/s/Mpc – un po' meno rispetto a Riess, ma comunque superiore al ~67 di Planck. Quindi, sebbene le misurazioni locali differiscano leggermente, generalmente si concentrano nell'intervallo 70–74 km/s/Mpc – più di ~67 da Planck.

3. Metodo dell'Universo primordiale (CMB)

3.1 Modello ΛCDM e CMB

Radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), misurata da WMAP o Planck, secondo il modello cosmologico standard ΛCDM, permette di determinare la scala dei picchi acustici e altri parametri. Dall'adattamento dello spettro di potenza della CMB si ottengono valori di Ωb h², Ωc h² e altri. Combinandoli con l'assunzione di piattezza e dati BAO o altri, si ricava H0.

3.2 Misurazione di Planck

I dati finali della collaborazione Planck indicano generalmente H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (a seconda degli strumenti), circa 5–6σ inferiore rispetto alle misurazioni locali SHoES. Questa differenza, nota come tensione di Hubble, è di circa 5σ, indicando che difficilmente è una deviazione casuale.

3.3 Perché questa discrepanza è importante

Se il modello standard ΛCDM è corretto e i dati di Planck sono affidabili, allora nel metodo locale delle scale deve esserci una sistematica sconosciuta. Altrimenti, se le distanze locali sono corrette, forse il modello dell'Universo primordiale è incompleto – una nuova fisica potrebbe influenzare l'espansione cosmica o esistere particelle relativistiche aggiuntive o energia oscura precoce che modificano il valore derivato di H0.

4. Possibili cause della discrepanza

4.1 Errori sistematici nel metodo delle scale?

Si sospetta se nella calibrazione delle Cefeidi o nella fotometria delle supernovae ci sia un errore non corretto – ad esempio, l'effetto della metallicità sulle Cefeidi, la correzione del flusso locale o un bias di selezione. Tuttavia, il forte accordo tra più gruppi riduce la probabilità di un grande errore. Anche i metodi TRGB forniscono un H0 leggermente più alto, sebbene un po' inferiore a quello delle Cefeidi, ma comunque superiore al risultato di Planck.

4.2 Sistematiche irrisolte nella CMB o ΛCDM?

Un'altra possibilità è che nell'interpretazione di Planck della CMB manchi un anello importante, ad esempio:

  • Proprietà estese dei neutrini o particelle relativistiche aggiuntive (Neff).
  • Energia oscura precoce vicino alla ricombinazione.
  • Non piattezza o energia oscura variabile nel tempo.

Planck non mostra chiari segni di ciò, ma in alcuni modelli estesi ci sono lievi indizi. Finora nessuna soluzione elimina completamente la tensione senza anomalie aggiuntive o complessità aumentata.

4.3 Esistono due valori distinti della costante di Hubble?

Alcuni suggeriscono che l'espansione dell'Universo a basso redshift possa differire dalla media globale se esistono grandi strutture locali o eterogeneità (chiamate "bolla di Hubble"). Tuttavia, le misurazioni da diverse direzioni, su altre scale cosmiche e il principio generale di omogeneità indicano che un vuoto locale significativo o un ambiente locale difficilmente spiegherebbero questa tensione.

5. Sforzi per Risolvere la Tensione

5.1 Metodi Indipendenti

I ricercatori testano calibrazioni locali alternative:

  • Masers in galassie megamaser (es. NGC 4258) come ancore di distanza per supernovae.
  • Ritardi temporali di forte lente gravitazionale (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluttuazioni di luminosità superficiale nelle galassie ellittiche.

Finora questi metodi mostrano generalmente H0 valori nell'intervallo “bassi anni '60 – alti anni '70”, non sempre identici, ma generalmente superiori a 67. Quindi non esiste un metodo indipendente che risolva completamente la tensione.

5.2 Più Dati da DES, DESI, Euclid

Le misurazioni BAO a diversi redshift permettono di ricostruire H(z) e verificare se da z = 1100 (epoca CMB) a z = 0 si manifestano deviazioni dal ΛCDM. Se le osservazioni mostreranno un redshift in cui localmente si ottiene un H0 più alto, contemporaneamente in accordo con Planck a z elevati, ciò potrebbe indicare nuova fisica (es. energia oscura precoce). DESI mira a una precisione di ~1% nelle misure di distanza a vari redshift, aiutando a comprendere meglio l'evoluzione cosmica.

5.3 Scalinata delle Distanze di Nuova Generazione

I team locali continuano a migliorare la calibrazione delle parallassi usando i dati di Gaia, affinano il punto zero delle Cefeidi e rivedono gli errori sistematici nella fotometria delle supernovae. Se la tensione persiste con errori più piccoli, la possibilità di nuova fisica oltre il modello ΛCDM aumenta. Se la tensione scompare, ciò confermerà la solidità del ΛCDM.

6. Valore per la Cosmologia

6.1 Se Planck ha ragione (H piccolo0)

H piccolo0 ≈ 67 km/s/Mpc è coerente con il ΛCDM standard da z = 1100 fino ad oggi. Allora i metodi della scalinata locale sarebbero sistematicamente errati, oppure viviamo in una posizione insolita. Questo scenario indica un'età dell'Universo di ~13,8 miliardi di anni, e le previsioni sulla struttura su larga scala concordano con i dati degli ammassi di galassie, BAO e lensing.

6.2 Se la Scalinata Locale è Corretta (H grande0)

Se H0 ≈ 73 confermati, allora l'interpretazione del modello Planck \(\Lambda\)CDM è incompleta. Potrebbe essere necessario:

  • Ulteriori energie oscure precoci, che temporaneamente accelerano l'espansione fino alla ricombinazione modificando così gli angoli dei picchi, portando a un valore di H0 inferiore a quello derivato da Planck.
  • Più gradi di libertà relativistici o nuova fisica dei neutrini.
  • Allontanamento dall'assunzione che l'Universo sia piatto e descritto rigorosamente solo da \(\Lambda\)CDM.

Una nuova fisica di questo tipo potrebbe risolvere la tensione, anche se richiederebbe un modello più complesso. Ciò può essere testato con altri dati (lensing KFS, indicatori di crescita delle strutture, nucleosintesi).

6.3 Prospettive future

La tensione stimola nuove verifiche incrociate. Studi di CMB-S4 o di generazioni successive di lensing cosmico possono verificare se la crescita delle strutture corrisponde a un H0 alto o basso. Se la tensione rimane a ~5σ, sarà un forte indizio che il modello standard deve essere esteso. Progressi teorici o errori recentemente scoperti potrebbero infine risolvere la questione in modo decisivo.

7. Conclusione

La misura della costante di Hubble (H0) è il cuore della cosmologia, collegando le osservazioni locali di espansione con i modelli dell'Universo primordiale. I metodi attuali forniscono due valori differenti:

  1. La scala locale delle distanze (usando Cefeidi, TRGB, supernove) generalmente indica H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM basato su KFS, applicando i dati di Planck, fornisce H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Questa "tensione di Hubble", di circa 5σ di significatività, indica errori sistematici sconosciuti in qualche metodo o nuova fisica oltre il consueto ΛCDM. Miglioramenti continui in parallasse (Gaia), punto zero delle supernove, ritardi temporali di lensing e BAO ad alto redshift testano tutte le ipotesi. Se la tensione persiste, potrebbe indicare soluzioni esotiche (energia oscura primordiale, neutrini aggiuntivi, ecc.). Se la tensione diminuisce, confermeremo la solidità di ΛCDM.

Qualsiasi scenario influenza nettamente la nostra storia cosmica. La tensione stimola nuove campagne osservative (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) e modelli teorici avanzati, sottolineando la dinamica della cosmologia moderna – dove dati precisi e discrepanze a lungo termine ci spingono a tentare di unire l'Universo primordiale e quello attuale in un quadro completo.

Letteratura e Letture Supplementari

  1. Riess, A. G., et al. (2016). "Una determinazione del 2,4% del valore locale della costante di Hubble." The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). "Risultati Planck 2018. VI. Parametri cosmologici." Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). "The Carnegie-Chicago Hubble Program. VIII. Una determinazione indipendente della costante di Hubble basata sulla punta del ramo dei giganti rossi." The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). "Tensioni tra l'Universo primordiale e quello attuale." Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). "Guida per cacciatori della costante di Hubble." Physics Today, 73, 38.
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