Nei primissimi istanti dell’Universo, i primi fotoni furono intrappolati in un mare di gas ionizzato. Si disperdevano casualmente con i nuclei caldi e gli elettroni della sfera cosmica incandescente, come piccole imbarcazioni in un mare tempestoso. Poi, circa 370.000 anni dopo il Big Bang, l’Universo si raffreddò a sufficienza perché i fotoni potessero liberarsi. Dopo un ultimo disperdersi, potevano finalmente navigare nel vuoto interstellare. Alcuni di loro viaggiarono attraverso 14 miliardi di anni di spazio e tempo per raggiungere la Terra, dove li vediamo come parte dello sfondo cosmico a microonde. La luce residua della creazione.
Il CMB rappresenta un punto centrale di evidenza a sostegno del Big Bang e del modello standard della cosmologia. Osservando la scala delle fluttuazioni all’interno del CMB, possiamo misurare parametri cruciali come la forma dello spazio, la distribuzione della materia e dell’energia, e il tasso di espansione cosmica. È proprio quest’ultimo aspetto a creare preoccupazione tra gli astronomi, a causa del problema della tensione di Hubble.
Gli astronomi dispongono di diversi metodi per calcolare il parametro di Hubble, il cui valore ci indica il tasso di espansione cosmica. Questi metodi si possono generalmente dividere in due categorie: quelli basati sulle osservazioni del CMB e quelli fondati su fenomeni astrofisici come le supernovae. Tuttavia, i risultati di queste due categorie non concordano sul valore. Si contraddicono persino, portando alcuni astronomi a sostenere che qualcosa non va nel modello standard.
Fluttuazioni di polarizzazione all’interno del CMB. Credito: Collaborazione SPT-3G
Tra le due categorie, il metodo CMB è quello con i dati più limitati. Le migliori osservazioni del CMB provengono da telescopi spaziali come Planck, che hanno misurato le fluttuazioni nell’intensità del CMB. Una possibile soluzione al problema della tensione sarebbe sostenere che le osservazioni del CMB siano in qualche modo distorte. Tuttavia, nuove osservazioni raccolte dal Telescopio del Polo Sud (SPT) mettono in discussione questa idea.
Invece di misurare le fluttuazioni di intensità nel fondo cosmico a microonde, il SPT ha osservato le variazioni nella polarizzazione. Tutta la luce CMB che osserviamo proviene da un momento di ultima dispersione, in cui i fotoni si sono riflessi su un ione un’ultima volta prima di intraprendere il lungo viaggio di miliardi di anni per raggiungerci. Quando la luce si disperde, si polarizza rispetto alla distribuzione del gas ionizzato. Pertanto, queste osservazioni offrono una misura realmente indipendente dell’espansione cosmica.
Differenti modalità di polarizzazione del CMB. Credito: Sky and Telescope
Una delle sfide nel lavorare con i dati polarizzati del CMB è che, mentre la prima luce viaggiava attraverso lo spazio, interagì con materia, spazio e tempo. Non solo la luce è spostata verso il rosso a causa dell’espansione cosmica, ma viene anche deviata gravitazionalmente dalle galassie, il che altera la polarizzazione. Parte della luce si disperde nel gas interstellare, generando una polarizzazione falsa. Anche le onde gravitazionali possono influenzare l’orientamento della luce. Perciò, il team ha esaminato non solo la polarizzazione grezza del CMB, ma anche ciò che è noto come polarizzazione in modalità E e modalità B. Ognuna di queste è soggetta a differenti tipi di distorsione. Ad esempio, la modalità E è più sensibile alla dispersione secondaria, mentre la modalità B è più sensibile all’inflazione cosmica e alle onde gravitazionali.
Combinando e confrontando queste modalità di polarizzazione, il team ha potuto calcolare un nuovo valore per il parametro di Hubble. Poiché non si basa sulle fluttuazioni di intensità, è esente da qualsiasi distorsione nelle osservazioni del CMB basate nello spazio. Basandosi sui loro dati, il team ha ottenuto un valore di H0 compreso tra 66.0 e 67.6 (km/s)/Mpc. Questo valore è in accordo con le osservazioni basate sull’intensità di WMAP e Planck, che hanno trovato un valore di 67–68 (km/s)/Mpc. In confronto, i metodi astrofisici trovano un valore di 73–75 (km/s)/Mpc.
Questo studio conferma che le precedenti osservazioni del CMB non sono distorte. La tensione di Hubble è molto reale e attualmente non abbiamo un modo chiaro per risolverla.
Riferimento: Collaborazione SPT-3G. “Cosmology From CMB Lensing and Delensed EE Power Spectra Using 2019-2020 SPT-3G Polarization Data.” arXiv preprint arXiv:2411.06000 (2024).