Abbiamo saputo che l’Universo è in espansione per molto tempo. Il primo documento solido che ha dimostrato l’espansione cosmica è stato pubblicato da Edwin Hubble nel 1929, basato su osservazioni effettuate da Vesto Slipher, Milton Humason, e Henrietta Leavitt. Da questo, il tasso di espansione cosmica è conosciuto come la costante di Hubble, o parametro di Hubble, H0. Da questo parametro, è possibile calcolare cose come l’età dell’Universo dal Big Bang, quindi conoscere il valore di H0 è fondamentale per la nostra comprensione della cosmologia moderna.
Inizialmente, il valore misurato del parametro di Hubble variava notevolmente. Il valore iniziale di Hubble era dell’ordine di 500 (km/s)/Mpc. Negli anni ’60, il valore si stabilizzò tra 50 e 90 (km/s)/Mpc, dove rimase per gran parte del 20° secolo. Era difficile ottenere una misura più precisa perché i nostri metodi di calcolo erano limitati. Tutti questi erano basati sulla scala delle distanze cosmiche, che utilizza una serie di osservazioni per calcolare distanze cosmiche sempre maggiori, ognuna costruita sulla precedente. Ma negli ultimi decenni abbiamo migliorato molto e il valore di Hubble sembrava stabilizzarsi intorno ai 70 (km/s)/Mpc. Dopodiché, le cose hanno iniziato a diventare… problematiche.
Con satelliti come WMAP e Planck abbiamo cominciato a ottenere mappe ad alta risoluzione dello sfondo cosmico a microonde. Dalle fluttuazioni di questo sfondo abbiamo trovato un nuovo modo per misurare H0 e ottenere un valore di 67 – 68 (km/s)/Mpc. Allo stesso tempo, le osservazioni di supernovae lontane e la scala delle distanze cosmiche fissano il valore tra 73 e 75 (km/s)/Mpc. Entrambi i metodi sono piuttosto precisi, eppure non concordano affatto. Questa discrepanza è ora conosciuta come il problema della tensione di Hubble, ed è il mistero più fastidioso nella cosmologia.
Tensione di Hubble tra i metodi. Credito: utente di Wikipedia Primefac.
Non siamo sicuri su cosa causi la tensione di Hubble. Potrebbe significare che uno o più dei nostri metodi di osservazione sono fondamentalmente errati, oppure potrebbe indicare che c’è qualcosa riguardo l’energia oscura e l’espansione cosmica che non comprendiamo affatto. Ma gli astronomi generalmente concordano che un modo per affrontare questo mistero è cercare modi per misurare H0 che siano indipendenti sia dallo sfondo cosmico sia dalla scala delle distanze cosmiche. Uno di questi metodi coinvolge il fenomeno del lensing gravitazionale.
Il lensing gravitazionale si verifica perché la gravità deforma lo spazio, il che significa che il percorso della luce può essere deviatato dalla presenza di una massa grande. Così, ad esempio, se una galassia lontana si trova dietro una galassia più vicina dal nostro punto di vista, vediamo una vista distorta gravitazionalmente della galassia lontana o addirittura immagini multiple della galassia. La cosa interessante dell’effetto delle immagini multiple è che la luce di ciascuna immagine percorre un percorso diverso attorno alla galassia più vicina, ognuno con una distanza differente. Poiché la velocità della luce è finita, ciò significa che ogni immagine ci fornisce una visione della galassia in tempi diversi della storia.
Questo non ha molta importanza per le galassie, ma per le supernovae significa che il lensing gravitazionale può farci osservare la stessa supernova più volte. Calcolando il percorso di ciascuna immagine della supernova, possiamo determinare la distanza relativa di ciascun percorso e, cronometando l’apparizione di ciascuna immagine, possiamo determinare la distanza effettiva. Questo ci dà una misura che è indipendente dalla scala delle distanze cosmiche, fornendoci un nuovo modo per misurare il parametro di Hubble. Questo metodo è stato utilizzato un paio di volte, ma le incertezze dei loro valori di Hubble non erano abbastanza piccole per affrontare la tensione di Hubble. Tuttavia, uno nuovo studio che utilizza questo metodo è sufficientemente preciso.
Lo studio si basa sulle immagini JWST di una supernova di Tipo Ia chiamata SN H0pe. È una delle supernovae più lontane mai osservate e grazie all’ammasso di galassie G165 meno distante, il team ha catturato tre immagini lente di SN H0pe. Con i loro tempi, luminosità osservata e percorsi calcolati, il team ha calcolato H0 essere 70 – 83 (km/s)/Mpc. Questo ha ancora un’incertezza più alta rispetto ad altri metodi, ma concorda con il metodo della scala delle distanze usuale. Disaccorda chiaramente anche con il metodo dello sfondo cosmico a microonde.
Nonostante H0pe, la tensione di Hubble è molto reale. Se mai, questo nuovo risultato rende la questione ancora più problematica. C’è qualcosa riguardo l’espansione cosmica che non comprendiamo e ora è chiaro che osservazioni migliori non risolveranno questo mistero da sole.