Lenti gravitazionali: è necessaria una nuova cosmologia

Misure con lenti gravitazionale spingono la discrepanza delle costanti di Hubble oltre 5σ. Se la discrepanza non può essere attribuita a errori sistematici, potrebbe essere necessaria una nuova cosmologia. Poco si sa su cosa siano realmente la materia oscura e l’energia oscura, le componenti dominanti dell’universo, ma il modello standard della cosmologia del Big Bang, noto come MCDM, incorpora il modo in cui si comportano esternamente.

L’energia oscura, presume il modello, assume la forma di una costante cosmologica Λ o di una densità di energia costante per unità di volume di vuoto. E la materia oscura è fredda, cioè non relativistica, e interagisce solo attraverso la gravità e forse la forza debole.

lenti gravitazionali
lente gravitazionale Credito: Freddie Pagani

Le osservazioni dell’universo generalmente concordano bene con il modello ΛCDM, ma un’eccezione emergente è la costante di Hubble 0 , l’attuale tasso di espansione dell’universo. Se combinato con le misurazioni del fondo cosmico a microonde, un riflesso della struttura spaziale dell’universo primordiale, il modello MCDM prevede che l’universo oggi dovrebbe espandersi a una velocità di 67,4 ± 0,5 km / s / Mpc. Ma una misurazione diretta di 0 basata su osservazioni di candele standard, stelle variabili Cefeide e supernovae di tipo Ia, dà un valore diverso: 74,0 ± 1,4 km / s / Mpc.

Guidato da Sherry Suyu, H0LiCOW ( 0 Gli obiettivi della collaborazione di COSMOGRAIL Wellspring) utilizzano quasar con lente gravitazionale per misurare indipendentemente 0 . L’ultimo risultato del gruppo, 73,3 + 1,7 – 1,8 km / s / Mpc, concorda bene con il valore standard delle candele. Combinando le misure H0LiCOW e candele standard si ottiene un 0 di 73,8 ± 1,1 km / s / Mpc, che differisce dal valore ΛCDM per 5,3 deviazioni standard.

La sfida in qualsiasi misurazione diretta di 0sta misurando le distanze da oggetti astronomici lontani; le loro velocità relative alla Terra, al contrario, sono prontamente dedotte dallo spostamento verso il rosso della loro radiazione. Le candele standard sono allettanti perché le loro luminosità sono note, quindi le loro distanze possono essere calcolate da quanto luminose appaiono sulla Terra.

Nella misurazione complementare di H0LiCOW, i ricercatori hanno studiato i quasar la cui luce è così fortemente deviata dalle galassie in primo piano da apparire come immagini multiple distinte, come mostrato nella figura. Poiché la luce in ogni immagine attraversa un percorso di diversa lunghezza, le fluttuazioni della luce del quasar si manifestano nelle immagini con lenti in momenti diversi.

Misurare quelle differenze di tempo, che sono nell’ordine delle settimane, non produce direttamente d(la distanza dalla Terra all’obiettivo) o ds (la distanza dall’obiettivo al quasar). Ma limita la loro combinazione, che è informazioni sufficienti per calcolare 0 dai turni rossi noti degli oggetti. Nel 2017 la collaborazione ha pubblicato un primo risultato basato su tre quasar con lenti. L’attuale lavoro estende l’analisi a sei quasar.

Il risultato riduce la probabilità che la discrepanza di 0 sia dovuta a qualche incertezza sistematica non apprezzata nella misurazione della candela standard; preso al valore nominale, sembra indicare la necessità di rivedere il modello ΛCDM. (KC Wong et al., Lunedì non. R. Astron. Soc. , In corso di stampa,  https://arxiv.org/abs/1907.04869 .)

Cos’è una lente gravitazionale?

La materia attrae la luce. E, dove si addensa, crea lenti che ingrandiscono, sdoppiano e distorcono le galassie lontane. Lente gravitazionale è qualsiasi corpo celeste che, per la massa elevatissima, esercita una forza di gravità tale da deviare la luce che gli passa accanto. Per esempio, la luce di una stella, passando accanto a un’altra più vicina all’osservatore, può essere focalizzata, cioè concentrata in un punto, o formare più immagini simili, come se passasse appunto attraverso una lente.

Questa interazione della luce con corpi celesti di massa molto grande fu ipotizzata da Einstein. L’ipotesi fu poi confermata durante un’eclissi totale di Sole: si videro, accanto al disco del Sole, stelle che non si sarebbero dovute vedere, perché nella realtà si trovavano dietro l’astro. Come mai? La loro luce era stata “incurvata” dalla forza di gravità di quest’ultimo.

lenti gravitazionali
L’ammasso Abell 2218, nella costellazione del Drago. Oltre alle galassie che lo compongono, si notano diversi deboli archi (per la cronaca, sono 120): sono le immagini ingrandite e distorte di galassie più lontane (vedi lo schema più in basso, in questa pagina).

Il firmamento è colmo di miraggi: stelle che appaiono dove non dovrebbero essere, immagini che si sdoppiano più volte, galassie che si torcono e si assottigliano come fili. Come in un grande caleidoscopio o in una sala degli specchi, il gioco delle immagini dipende infatti da come noi siamo allineati con le sorgenti lontane.

Ma le illusioni, in questo caso, non sono create da lastre di vetro o lamine di metallo, bensì dalla forza di gravità di stelle e galassie. Perché la gravità agisce anche sui raggi di luce, deviandoli come fa una lente.

Questi fenomeni, detti “di lente gravitazionale”, fino a trent’anni fa erano considerati curiosità teoriche. Oggi, invece, grazie a strumenti precisi come il telescopio spaziale Hubble e il telescopio Cfht, nelle Hawaii, ne sono stati localizzati a centinaia. E sono utilissimi per studiare la distribuzione di materia e gravità nell’universo.

EFFETTO 1: MIRAGGI COSMICI. Il fatto che la gravità potesse deviare la luce l’aveva intuito già l’astronomo tedesco Johann Georg von Solder, nel 1801. Ma ciò che prima di lui era un’ipotesi, per Einstein fu certezza: «La materia esercita un’attrazione gravitazionale che agisce anche sulla luce, curvandone il cammino» spiega Mario Vietri, docente di astrofisica alla Normale di Pisa. «La luce non ha un peso, ma ha energia. E su questa energia agisce la gravità». Il calcolo di Einstein prevedeva un effetto due volte più intenso rispetto a quanto previsto dalla legge della gravitazione di Newton.

E si rivelò esatto, come fu verificato per la prima volta nel 1919, in uno storico esperimento guidato da Arthur S. Eddington. La posizione delle stelle accanto al Sole, osservò Eddington durante un’eclisse, è leggermente alterata, perché la gravità della nostra stella devia i raggi di luce che le passano vicino. In pratica si tratta di un miraggio come quelli che avvengono nel deserto, anche se lì i raggi luminosi si piegano perché attraversano strati d’aria con temperatura e densità diverse.

È per questo che può apparire l’immagine di un’oasi (che c’è,ma è altrove) là dove invece c’è, per esempio, solo sabbia.

EFFETTO 2: VEDERCI DOPPIO. La gravità del Sole, però, non è sufficiente a creare effetti ottici spettacolari. «La prima vera lente gravitazionale fu osservata e riconosciuta solo nel 1979 dall’astronomo Dennis Walsh del Jodrell Bank Observatory, in Gran Bretagna » ricorda Vietri. «Egli vide due quasar (galassie lontane e luminosissime) vicine e apparentemente uguali, una delle quali era accanto all’immagine di una galassia.

Walsh capì che, in realtà, si trattava di due immagini della stessa quasar, che lo raggiungevano attraverso due cammini ottici diversi: uno diretto, e uno deviato dalla gravità della galassia, che si trovava a distanza intermedia. È la stessa cosa che si verifica quando si guarda un oggetto lontano con il bordo degli occhiali. L’oggetto si sdoppia, perché la sua immagine ci raggiunge per due cammini diversi: uno diretto e uno attraverso la lente».

Oggi, di lenti gravitazionali ne conosciamo centinaia, a volte spettacolari, e capaci di raddoppiare, quadruplicare, sestuplicare l’immagine delle sorgenti lontane.

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Come funziona una lente gravitazionale (per esempio Abell 2218). Clicca sull’immagine per ingrandirla.

EFFETTO 3: ZOOM. Come una brava lente ottica, anche una lente gravitazionale ingrandisce le immagini. E le rende decine, talvolta centinaia di volte più luminose. Come nell’ammasso di galassie Abell 2218 (v. foto iniziale del paragrafo).

Tra le varie immagini che appaiono nella foto, vi è anche una debole sfumatura che è stata decifrata soltanto pochi mesi fa, grazie anche ai telescopi dell’osservatorio Keck, alle Hawaii: proviene da un’antichissima galassia, che risale a quando l’universo aveva solo 600 milioni di anni d’età, e ci raggiunge dopo aver viaggiato nello spazio per 13,4 miliardi di anni. E dopo essere stata sdoppiata e ingrandita 30 volte da Abell. «Senza l’aiuto della potente lente gravitazionale» dice Richard Ellis del California Institute of Technology, Usa «non avremmo potuto vedere la sorgente».

Non sempre le lenti sono gigantesche. Recentemente, per esempio, un gruppo dello Space Telescope Science Institute (Usa) ha osservato un debole illuminamento di un gruppo di stelle nella nostra galassia e ha attribuito il fenomeno al passaggio di un gruppo di pianeti. Se fosse vero, sarebbe la prima testimonianza di pianeti che circolano liberamente nei cieli, senza girare attorno ad alcun sole.

EFFETTO 4: DEFORMAZIONE. A questo punto sorge un dubbio: che differenza c’è tra una lente gravitazionale e una normale?

«Le lenti gravitazionali sono astigmatiche » spiega Vietri «e quindi distorcono molto le immagini e non focalizzano in un solo punto i raggi che le raggiungono». Più che a una lente normale, una lente gravitazionale si può perciò paragonare a un calice pieno d’acqua: anche in questo caso la focalizzazione non è perfetta e, se si guarda vicino al fondo, si possono perfino vedere immagini multiple.

«Se la focalizzazione fosse perfetta » conclude Vietri «le lenti si comporterebbero come specchi ustori e vedremmo nel cielo sorgenti luminosissime».

EFFETTO 5: ROTAZIONE. Oltre a distorcere, le lenti fanno anche ruotare le immagini. Un effetto che è utile per ricostruire le proprietà della lente. «Quando si fa un modello teorico di una lente gravitazionale» spiega Vietri «bisogna tenere conto di tutti i fattori, e soprattutto di distorsione, ingrandimento e rotazione che subiscono tutte le immagini multiple di una stella lontana. È così possibile dedurre in maniera molto precisa, con un’incertezza del 10-20%, la quantità di materia presente nella lente».

«Per questo» continua Vietri «il campo di ricerca più attivo è quello che studia le proprietà delle lenti stesse. In tutti i casi noti, si è visto che il 90% circa della materia che forma galassie e ammassi di galassie è materia oscura». Risolto un problema, ne nasce un altro: la materia oscura, invisibile ai telescopi, si sa che c’è,ma non si sa che cosa sia. Non sarebbe nemmeno composta da atomi, ma da particelle ancora sconosciute.

BUCO NERO SMASCHERATO. Sempre invisibili, ma di natura diversa, sono i buchi neri, stelle così dense che la loro luce non può fuggire all’attrazione gravitazionale. Vederli direttamente è impossibile. L’unica possibilità è quella di studiare gli effetti del campo gravitazionale intorno a loro.

UNIVERSO A GROVIERA. Talvolta, le informazioni più interessanti si traggono non dallo studio di una singola lente,ma da quello della loro distribuzione statistica. Grazie al conteggio degli eventi di lenti gravitazionali all’interno di un certo volume del cosmo è possibile risalire, con i modelli cosmologici noti, alla struttura geometrica dell’universo.

Lo studio statistico delle lenti permette anche di determinare il modo in cui la materia è distribuita nell’universo. E non senza sorprese. Il cosmo non è infatti composto da ammassi di galassie immerse nello spazio vuoto.

Assomiglia piuttosto a una spugna in cui, tra la materia (composta da una rete di ammassi e materia oscura), si trovano enormi bolle di vuoto. Lo ha stabilito uno studio sulla debole distorsione che questa rete produce sulle immagini delle galassie disseminate nello spazio. Confermando l’impressione che l’universo, nel suo complesso, oltre che una sorta di groviera, sia un caleidoscopio gigante sempre in movimento.

Lenti gravitazionali come candele standard

Negli ultimi anni, i cosmologi hanno sempre più utilizzato le lenti gravitazionali per misurare le distanze, sfruttando il fatto che, in un sistema di immagini multiple, un osservatore vedrà i fotoni arrivare da direzioni diverse in momenti diversi a causa della differenza nelle lunghezze del percorso ottico per le varie immagini.

Questa misurazione fornisce pertanto una dimensione fisica della lente e il confronto con la dimensione osservata in cielo permette di stimare la distanza geometrica chiamata distanza di diametro angolare. Tali misurazioni di distanza in astronomia sono alla base della misura della costante di Hubble.

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Immagini dei due sistemi di lenti utilizzati in questo studio, B1608+656 e Rxj1131. Le lettere da A a D indicano immagini del quasar sullo sfondo, G1 e G2 sono le galassie che fungono da lenti (nell’immagine a sinistra), G è la galassia lente (nell’immagine a destra) che ha una galassia satellite, S. Crediti: Mpa.

«Esistono diversi modi per misurare le distanze nell’universo, in base alla nostra conoscenza dell’oggetto la cui distanza si vuole misurare», spiega Sherry Suyu (Mpa/Tum), esperto mondiale nell’uso delle lenti gravitazionali per determinare la costante di Hubble. «Una tecnica ben nota è la distanza di luminosità che utilizza esplosioni di supernove; tuttavia, occorre adottare un calibratore esterno della scala della distanza assoluta.

Con la nostra analisi dei sistemi di lenti gravitazionali possiamo fornire un vincolo completamente nuovo e indipendente per questo metodo». Il team ha utilizzato due potenti sistemi di lenti gravitazionali – B1608+656 e Rxj1131 – in ciascuno dei quali sono evidenti quattro immagini di una galassia sullo sfondo, con una o due galassie in primo piano che agiscono come lenti.

Questa configurazione relativamente semplice ha permesso agli scienziati di produrre un modello di lente accurato e quindi di misurare le distanze di diametro angolare con una precisione dal 12 al 20 per cento per ogni lente. Queste distanze sono quindi state usate come riferimento per 740 supernove riportate nel catalogo pubblico Joint Light-curve Analysis dataset.

«Per costruzione, il nostro metodo è insensibile ai dettagli del presunto modello cosmologico», afferma Inh Jee (Mpa), che ha fatto l’analisi statistica e ha combinato i dati della supernove con le distanze della lente. «Abbiamo ottenuto un valore abbastanza elevato per la costante di Hubble e, sebbene la nostra misurazione abbia una maggiore incertezza rispetto ad altri metodi diretti, il valore trovato è dominato dall’incertezza statistica perché utilizziamo solo due sistemi di lenti».

Il valore per la costante di Hubble basato su questa nuova analisi è 82 +/- 8 chilometri al secondo per megaparsec, coerente con i valori derivati ​​dalla scala delle distanze che utilizzano candele standard, nonché con i valori delle distanze di ritardo, in cui sono stati utilizzati altri sistemi di lenti gravitazionali per determinare direttamente la costante di Hubble.

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Diagramma di Hubble derivato, utilizzando i due sistemi di lenti (punti rossi e gialli) come ancore per le supernovae 740 nel set di dati JLA. Crediti: Mpa.

«Ancora una volta, questa nuova misurazione conferma che sembra esserci una differenza sistematica nei valori ottenuti per la costante di Hubble derivata direttamente da sorgenti locali o intermedie e indirettamente dal fondo cosmico a microonde», afferma Eiichiro Komatsu, direttore di Mpa, che ha supervisionato questo progetto. «Se confermato da ulteriori misurazioni, questa discrepanza richiederebbe una revisione del modello cosmologico standard».

Origine teorica e prime osservazioni

Nel 1913 Albert Einstein, nel contenuto di una breve pagina indirizzata a George Hale, ipotizza la possibilità di provare l’incurvamento della radiazione elettromagnetica all’attraversare i campi gravitazionali esaminando la luce proveniente dalle stelle fisse apparentemente site in prossimità del Sole.

Ma in tale scritto la quantità calcolata per l’angolazione dei raggi luminosi risulta di soli 0,84″ (secondi d’arco); successivamente questa misura proposta venne rettificata, dal medesimo autore, con una quantità equivalente a poco più del suo doppio: ossia in 1,75″, cifra convalidata dalla rilevazione astronomica realizzata dopo circa sei anni dall’invio della lettera sopra ricordata.

In essa (tracciato da Einstein) si nota lo stilizzato bozzetto ove la linea d’una radiazione, iniziata nel punto sinistro dello schema, si piega vicino al bordo d’una circonferenza, il disco solare, e continua così appena declinata verso il punto opposto. Probabilmente è il primo diagramma esposto a terzi che illustri il fenomeno qui trattato.

eclissi solare totale del 29 maggio 1919
Una delle fotografie di Eddington dell’eclissi solare totale del 29 maggio 1919, presentata nel 1920 nell’articolo a conferma della teoria della relatività generale.

La prima osservazione della deflessione dei raggi luminosi consistette nel misurare semplicemente la variazione della posizione delle stelle per effetto della curvatura dello spazio-tempo attorno al Sole.

Il 29 maggio 1919, durante un’eclissi di Sole, il gruppo guidato da Arthur Eddington e Frank Watson Dyson osservò che la luce delle stelle nei pressi del disco solare era leggermente deviata, dato che le stelle apparivano in posizioni spostate rispetto al caso in cui erano osservate usualmente, in accordo con la teoria di Einstein. L’eclissi permise quindi di osservare chiaramente lo spostamento delle stelle, che altrimenti sarebbe stato impossibile da rilevare vista la luminosità intensa del Sole stesso.

Il risultato dell’esperimento fu annunciato il 6 novembre del 1919 a Londra dinanzi alla Royal Society e alla Royal Astronomical Society, riunite nella conferenza stampa per l’eccezionalità dell’evento che sanciva il superamento della teoria relatività generale rispetto alla meccanica classica.

La notizia fu presto diffusa dai giornali di tutto il mondo. Infatti, sebbene la teoria corpuscolare della luce, insieme con la legge di gravitazione universale di Newton, prevedessero una deviazione dei raggi luminosi, questa era solo la metà rispetto a quella prevista da Einstein e osservata da Arthur Eddington e Frank Watson Dyson.

Riferimenti e approfondimenti

  1. ScienceA measurement of the Hubble constant from angular diameter distances to two gravitational lenses” di I. Jee, S.H. Suyu, E. Komatsu, et al.
  2. Amici della Scienza – Cosmologia in crisi – 24 ottobre 2019
  3. William J.Kaufmann “Le nuove frontiere dell’astronomia” capitoli 5-8-12, Firenze 1980.
  4. N.Quien-R.Wehrse-C.Kindl “Luce, gravitazione e buchi neri” da 1995: vol.n.97 “Spazio, tempo e relatività”, Le Scienze-quaderni anno 2000.
  5. Margherita Hack, L’Universo alle soglie del Duemila, Rizzoli BUR supersaggi, 1997, ISBN 978-88-17-11664-0.
  6. Tullio Regge, Infinito, Milano, mondadori, 1996, ISBN 978-88-04-41874-0.
  7.  F. W. Dyson, Eddington, A. S., Davidson, C., A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919, in Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences,  1º gennaio 1920, Bibcode:1920RSPTA.220..291DDOI:10.1098/rsta.1920.0009.
  8. William J.Kaufmann. “Le Nuove Frontiere Dell’Astronomia” cosmologia e teoria della relatività generale., Sansoni Editore, 1980 G.C. Sansoni Nuova S.p.A. Firenze

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