L'Universo si sta espandendo più velocemente del previsto

Caffè o tè? Beatles o Rolling Stones? Siamo condannati a non essere d’accordo, anche su qualcosa di così serio come la cosmologia. Al momento stiamo assistendo a un forte conflitto tra le previsioni di due grandi scuole riguardo al tasso di espansione dell’Universo. Nuove misurazioni indicano che l’Universo si sta espandendo molto più velocemente del previsto. Ma cosa sta succedendo?

Il Cosmo ci fa scherzi quando ci parla di se stesso? Non gli basta solo spaventarci per il fatto che si sta espandendo, ma alcuni dati che ci offre suggeriscono un tasso di espansione diverso rispetto ad altri. Peggio ancora, le statistiche supportano un marcato disaccordo e lo trasformano in un problema serio. Prendendo una scorciatoia, chiarisco ora che questi valori discrepanti sono quelli forniti dagli osservatori Planck e Hubble.

Cominciamo, cosa misura il telescopio spaziale Hubble?

Possiamo ricordare come ci si sente ad accendere un fuoco. Molto vicino quasi brucia, ma allontanarsi ci solleva. Questo dà una vaga idea di come misurare le distanze dalle stelle. In sostanza, dovremmo identificare due stelle con le stesse caratteristiche fisiche e confrontare la luce che da esse ci arriva. E come si collega questo all’espansione dell’universo?

L’espansione dell’Universo e la pasta del panettone

Immaginiamo la pasta cruda di un panettone, che contiene l’uvetta separata l’una dall’altra (almeno nella mia versione preferita). Il calore del forno fa crescere l’impasto, costringendo l’uvetta a separarsi l’una dall’altra. Ma hey! la loro dimensione non cambia. Resta solo da pensare che il panettone è lo spazio-tempo e l’uvetta sono le galassie.

Man mano che il nostro pannetoneverse (o universo rappresentato da un panettone) si espande, l’uvetta non si sposta dalla sua posizione iniziale nell’impasto. Quelle che sono cambiate sono state le distanze relative tra alcune uvette e altre. Dividendo il bagliore per il tempo di cottura otteniamo la velocità della nostra uvetta, scusa, intendo le galassie.

Ora, come misuriamo in cosmologia quanto velocemente una stella si sta allontanando da noi? Bene, usando una versione sofisticata dell’effetto Doppler: proprio come una sirena della polizia suona più grave mentre si allontana, la luce delle stelle diventa un po’ più rossa mentre si allontana. Quasi cento anni fa, Edwin Hubble ha sorpreso il mondo mostrando che più una stella è lontana, più velocemente si allontana. Da ciò ne consegue, niente di più e niente di meno, che l’Universo si sta espandendo.

La distanza è legata alla velocità di partenza tramite la (ovviamente) cosiddetta costante di Hubble. Secondo la recentissima stima del suo valore da parte del team guidato dal premio Nobel Adam Riess, una stella a 1 megaparsec di distanza si allontana a 73 km/s, e una due volte più lontana a 146 km/s. Cioè, guardando più in profondità nell’Universo vediamo il tasso di espansione aumentare nel tempo. Per questo anche l’espansione è accelerata.

Gli arcobaleni prodotti dalle stelle

Hubble ha basato il suo lavoro sulla spettroscopia: una lettura dettagliata degli arcobaleni prodotti dalle stelle. Sono una serie di strisce di diversi colori e larghezze tipiche di ogni stella (le sue impronte digitali), che in confronto indicano redshift, cioè una diminuzione della frequenza della luce dell’oggetto quando si muove a una velocità maggiore.

Questo pioniere e i suoi successori dovevano conoscere le distanze delle stelle utilizzate. Ma in generale, misurare le distanze in astronomia è un duro lavoro. È molto difficile ottenere dati diretti, ed è usuale ricorrere a modelli fisici, generalmente costruiti sulla base delle variazioni di luminosità. Si ottiene così la scala cosmica delle distanze. Questa è una concatenazione di metodi che restituisce le distanze di oggetti distanti sulla base di oggetti intermedi, supportati a loro volta da quelli di oggetti vicini.

Planck chiede di ripensare alle “certezze” sull’espansione dell’Universo

In linea di massima, è stato così che il team di Riess ha ottenuto, utilizzando il telescopio Hubble, il valore attuale dell’omonima costante in modo molto preciso, basato nello specifico su tre gradini di stelle vicine. Ma questo valore non è statisticamente conciliabile con quello ottenuto dalla collaborazione Planck: 67 km/s/Mpc.

Questo esperimento con i suoi dati squisiti parla di piccolissime alterazioni nello sfondo della radiazione cosmica a microonde impresse miliardi di anni fa. E attraverso di loro ci informa delle proporzioni e della natura dei diversi ingredienti della zuppa cosmica, quella di cui il nostro Universo si è nutrito in diversi stadi.

In realtà, in questo campo, le equazioni di Einstein vengono utilizzate per vedere come il prima abbia influenzato l’adesso. Cioè, ricostruiamo il viaggio di quella radiazione attraverso miliardi di anni. E in questo puzzle, un piccolo errore in un punto si diffonde all’altro, come il famoso effetto farfalla. Per questo motivo la stima del valore dell’espansione ricavata da questi dati deve essere trattata con cautela.

A livello teorico, ci sono molti di noi che si scervellano giocando con le equazioni di quella teoria a cui ho appena fatto riferimento, e che ci rimette in contatto con l’idea che dobbiamo conoscere la composizione dell’Universo per poter stimare con precisione il valore della costante di Hubble oggi.

L’effetto dell’energia e della materia oscura

Gli ingredienti principali di quella zuppa che descrive il nostro universo sono la materia oscura e l’energia, sostanze ricche che lo hanno fatto crescere come una ragazza o un ragazzo. E qualsiasi nutrizionista ci dirà che la scarsità o la scarsa qualità del cibo danneggia tale sviluppo. Si può così comprendere che le variazioni nelle quantità di energia e materia oscura nell’Universo hanno determinato la separazione tra le sue galassie in tempi diversi. E questo, ricordiamolo, ci permette di stimare come la nostra creatura sia cambiata di dimensioni man mano che cresceva.

Naturalmente, la solvibilità dei più illustri gruppi di ricerca in cosmologia è fuori dubbio. Sono duelli tra titani. Schierarsi con Planck o Hubble è come scegliere tra Lionel Messi e Cristiano Ronaldo. Entrambi hanno molti punti salienti e anche alcune ombre.

Le stelle giganti rosse danno un dato intermedio

Ma se nel calcio stanno già comparendo nuove figure per prendere il sopravvento, troviamo anche altre opzioni con un grande potenziale nella cosmologia. In questo caso l’alternativa è conciliativa. Uno studio recente che utilizza stelle giganti rosse cade tra i due contendenti suggerendo 69,6 km/s/Mpc. E mentre l’accuratezza della misurazione diminuisce leggermente, c’è spazio per miglioramenti poiché la fisica di queste stelle richiede ancora uno sviluppo.

Forse ci sono errori sistematici nel trattamento numerico, forse c’è una fisica inesplorata, forse alcuni degli approcci teorici che vengono fatti sono alquanto rozzi. C’è anche chi utilizza altri tipi di studi astrofisici completamente diversi, ad esempio le lenti gravitazionali, per finire per offrire supporto da una parte o dall’altra.

Forse il telescopio James Webb aiuterà a chiudere questo dibattito, ma finché sarà aperto sarà una gioia seguirlo dal vivo, meglio ancora se avremo i popcorn e un buon divano.