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L’universo si sta espandendo più veloce del previsto

Il nuovo tasso di espansione è circa il 10% più veloce di quello previsto dalle osservazioni della traiettoria dell’universo poco dopo il Big Bang, secondo una nuova ricerca. Lo studio riduce anche significativamente la probabilità che questa disparità sia una coincidenza, da 1 su 3.000 a 1 su 100.000.

“Questa discrepanza è cresciuta e ora ha raggiunto un punto che è davvero impossibile da liquidare come un colpo di fortuna”, ha detto in una dichiarazione Adam Riess, docente di fisica e astronomia alla Johns Hopkins University di Baltimora.

“Non è quello che ci aspettavamo”, spiega Riess, vincitore del premio Nobel per la fisica nel 2011 (insieme a Brian Schmidt e Saul Perlmutter) per aver mostrato, verso la fine degli anni ’90, che l’espansione dell’universo sta accelerando. Non è chiaro cosa stia guidando questa sorprendente accelerazione, ma molti astronomi invocano una forza misteriosa e repulsiva chiamata energia oscura.

Espansioni dell'universo
Questa illustrazione mostra le tre fasi fondamentali che gli astronomi usano per calcolare quanto velocemente l’universo si espande nel tempo, un valore chiamato costante di Hubble. Tutti i passaggi prevedono la costruzione di una forte “scala di distanza cosmica”, iniziando con la misurazione di distanze precise  delle galassie vicine e quindi il passaggio a galassie sempre più distanti. Questa scala è una serie di misure di diversi tipi di oggetti astronomici con una luminosità intrinseca che i ricercatori possono utilizzare per calcolare le distanze.

Nel nuovo studio, Riess e i suoi colleghi hanno usato il telescopio spaziale Hubble per studiare 70 stelle variabili Cefeidi nella Grande Nube di Magellano (LMC), una delle galassie satelliti della Via Lattea. Le variabili Cefeidi si attenuano e si illuminano a velocità prevedibili e sono quindi “candele standard” che consentono agli astronomi di calcolare le distanze.

(Un altro tipo di candela standard, le esplosioni stellari conosciute come supernove di tipo 1a, consente agli scienziati di misurare distanze ancora più distanti nello spazio.) Gli studi di Riess, Schmidt e Perlmutter sulle supernove di tipo 1a hanno portato alla scoperta del Nobel.)

Riess e il suo team hanno anche incorporato le osservazioni del progetto Araucaria, una collaborazione che ha coinvolto ricercatori negli Stati Uniti, Europa e Cile, che hanno studiato vari sistemi stellari binari LMC, notando che avviene una attenuazione di lumunosità quando una stella passa davanti alla sua vicina. Questo lavoro ha fornito ulteriori misurazioni della distanza, aiutando il team di studio a migliorare la loro comprensione della luminosità intrinseca delle Cefeidi.

I ricercatori hanno utilizzato tutte queste informazioni per calcolare il tasso di espansione attuale dell’universo, un valore noto come costante di Hubble. Il nuovo numero è di circa 74,03 chilometri al secondo per megaparsec; (un megaparsec equivale a circa 3,26 milioni di anni luce).

L’incertezza legata a questo numero è solo dell’1,9%, hanno detto i ricercatori. Questo è il più basso valore di incertezza fino ad oggi calcolato utilizzando questo approccio, in calo da circa il 10% nel 2001 e il 5% nel 2009.

Il tasso di espansione “atteso”, al contrario, è di circa 67,4 km al secondo per megaparsec. Questo tasso previsto si basa sulle osservazioni che il satellite europeo Planck ha fatto dello sfondo cosmico delle microonde – la luce lasciata dal Big Bang che ha creato l’universo 13,82 miliardi di anni fa.

“Non si tratta solo di due esperimenti in disaccordo, stiamo misurando qualcosa di fondamentalmente diverso”, ha affermato Riess. 

“Uno è una misura di quanto velocemente l’universo si sta espandendo oggi, come lo vediamo noi, l’altro è una previsione basata sulla fisica dell’universo primordiale e sulla misura della velocità con cui dovrebbe espandersi”, ha aggiunto. “Se questi valori non sono d’accordo, diventa molto probabile che ci manchi qualcosa nel modello cosmologico che collega le due ere”.

Il nuovo studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal. Puoi leggerlo gratuitamente sul sito online arXiv.org .

Il nostro universo in espansione: età, storia e struttura

Si pensa che l’universo è nato con il Big Bang come un punto inimmaginabilmente caldo e denso. Quando l’universo haveva un’età di soli 10 -34 secondo o poco più,  cioè un centesimo di miliardesimo di trilionesimo di trilione di secondo di età, ha impresso un’incredibile espansione conosciuta come inflazione, in cui lo stesso spazio si è espanso più veloce della luce. Durante questo periodo, l’universo è raddoppiato di dimensioni almeno 90 volte, passando da dimensioni subatomiche a dimensioni di una pallina da golf quasi istantaneamente.

Il lavoro per comprendere l’universo in espansione deriva dalla combinazione della fisica teorica con l’osservazione diretta degli astronomi. Tuttavia, in alcuni casi gli astronomi non hanno ottenuto prove dirette come nel caso delle onde gravitazionali associate al fondo cosmico delle microonde ( le radiazioni che sono rimaste dopo il Big Bang).

Secondo la NASA, dopo l’inflazione la crescita dell’universo è continuata, ma a un ritmo più lento. Quando lo spazio si espanse, l’universo si raffreddò e si formò la materia. Un secondo dopo il Big Bang, l’universo si riempì di neutroni, protoni, elettroni, anti-elettroni, fotoni e neutrini.

Durante i primi tre minuti, nacquero i fotoni durante il processo noto come nucleosintesi. Le temperature diminuirono da 10 32 a 10 °K e dallo scontro di protoni e neutroni si generò il deuterio, un isotopo dell’idrogeno. Dalla combinazione del deuterio si generò l’elio tracce di litio.

Per i primi 380.000 anni circa l’universo era troppo caldo per essere luninoso. Il calore della frantumò gli atomi insieme con una forza sufficiente a romperli in un plasma denso, una zuppa opaca di protoni, neutroni ed elettroni che disperdevano la luce come nebbia.

Circa 380.000 anni dopo il Big Bang la materia si raffreddò abbastanza da permettere agli atomi di formarsi (era della ricombinazione), come un gas trasparente, elettricamente neutro. Venne rilasciato il primo lampo di luce creato durante il Big Bang oggi rilevabile come radiazione cosmica di fondo a microonde. Tuttavia ‘universo era ancora immerso nell’oscurità, poiché non si erano formate stelle o altri oggetti luminosi.

Circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang l’universo ha cominciato ad emergere dalle età oscura durante l’epoca della reionizzazione. Durante questo periodo, che durò più di mezzo miliardo di anni gruppi di gas collassarono per formare le prime stelle e galassie. La luce ultravioletta ionizzò e distrusse la maggior parte dell’idrogeno neutro.

L’espansione dell’universo rallentò gradualmente quando la materia nell’universo si è impadronì della gravità. Circa 5 o 6 miliardi di anni dopo il Big Ban una misteriosa forza ora chiamata energia oscura cominciò ad accelerare di nuovo l’espansione del universo, un fenomeno che continua ancora oggi. Dopo 9 miliardi di anni il Big Bang nacque il nostro sistema solare.

L’inizio: Il Big Bang non si è verificato con un’esplosione come comunemente si pensa. L’universo non si è espanso nello spazio, poiché lo spazio non esisteva prima dell’universo. E’ meglio pensare al Big Bang come all’apparizione simultanea dello spazio in ogni parte dell’universo. L’universo non si è espanso da un punto qualsiasi ma lo spazio stesso si è allungato e ha generato in sé la materia. Moderne teorie affermano altro ma ne parleremo in un’altro articolo.

Poiché l’universo con la sua definizione racchiude tutto lo spazio -tempo che conosciamo, pensare rispetto a cosa si sta espandendo l’universo va oltre il modello del Big Bang. Anche se ci sono modelli che speculano su queste domande non sono stati in grado di fare previsioni realisticamente verificabili.

Nel 2014, gli scienziati dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics hanno annunciato di aver trovato un debole segnale sullo sfondo delle microonde cosmiche che potrebbe essere la prima prova diretta delle onde gravitazionali prodotte dal Big Bang. I risultati sono stati oggetto di accesi dibattiti e gli astronomi hanno presto ritrattato i loro risultati quando hanno capito che alcune increspature di polvere nella Via Lattea poteva spiegare le loro scoperte.

ammasso glibulare
Il cluster globulare NGC 6397 contiene circa 400.000 stelle e si trova a circa 7.200 anni luce nella costellazione meridionale Ara. Con un’età stimata di 13,5 miliardi di anni, è probabile che sia tra i primi oggetti che si sono formati nella Galassia dopo il Big Bang. (Immagine: European Southern Observatory)

L’età: L’universo è attualmente stimato a circa 13,8 miliardi di anni. Il sistema solare ha circa 4,6 miliardi di anni. Questa stima proviene dalla misurazione della composizione della materia e della densità di energia nell’universo. Ciò ha permesso ai ricercatori di calcolare quanto velocemente l’universo si è espanso nel passato. Alla luce di questi dati si è potuto tornare indietro ed estrapolare quando è avvenuto il Big Bang.

Struttura: Gli scienziati pensano che inizialmente l’universo non non avrebbe avuto una struttura, con materia ed energia distribuite uniformemente. L’ attrazione gravitazionale di piccole fluttuazioni nella densità della materia ha dato origine alla vasta struttura a forma di ragnatela di stelle e vuoto come la osserviamo oggi. Le regioni dense trascinavano sempre più materia per mezzo della gravità, diventando enormi agglomerati di stelle, galassie e strutture più ancor più grandi conosciute come ammassi, superclusters e filamenti di migliaia di galassie che raggiungono più di un miliardo di anni luce in lunghezza. Le regioni meno dense e poco conosciute si sono evolute in aree di spazio apparentemente vuote chiamata “vuoti”.

Fino a circa 30 anni fa, gli astronomi pensavano che l’universo fosse composto quasi interamente da atomi ordinari o “materia barionica”. Recentemente ci sono state sempre più prove che suggeriscono che la maggior parte degli ingredienti che compongono l’universo derivano da forme invisibili.

Si scopre che gli atomi costituiscono solo il 4,6% dell’universo. Il 23% è costituito da materia oscura, che è probabilmente composta da una o diverse specie di particelle subatomiche ancora non note che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria. Il 72% è costituito da energia oscura che a quanto pare sta guidando l’espansione accelerata di l’universo.

Quando parliamo di atomi, l’idrogeno rappresenta circa il 75%, mentre l’elio rappresenta circa il 25%. Gli elementi più pesanti costituiscono solo una piccola parte degli atomi dell’universo.

Forma: La forma dell’universo e il fatto che sia finita o infinita dipende dal compromesso tra il tasso di espansione e l’attrazione gravitazionale. La forza dell’attrazione in questione dipende in parte dalla densità della materia nell’universo.

Se la densità dell’universo supera uno specifico valore critico, allora l’universo è “chiuso”  con “curvatura positiva” come la superficie di una sfera, più o meno. Ciò significa che i fasci di luce inizialmente paralleli convergeranno lentamente, attraverseranno l’universo e potrebbero ritornare al loro punto di partenza, se l’universo durerà abbastanza. Se è così l’universo non è infinito ma non ha fine cioè sarebbe illimitato, proprio come l’area sulla superficie di una sfera non è infinita ma non ha né inizio nè fine. L’universo alla smetterebbe di espandersi e comincerà a collassare su se stesso, il cosiddetto “Big Crunch”.

Se la densità dell’universo è inferiore alla densità critica la geometria dello spazio è “aperta” con “curvatura negativa” come la superficie di una sella. In tal caso l’universo non ha limiti e si espanderebbe per sempre.

Se la densità dell’universo è esattamente uguale alla densità critica la geometria dell’universo è ” piatta ” con una curvatura pari a zero come un foglio di carta. Se così fosse l’universo non avrebbe limiti e si espanderebbe per sempre, con tasso di espansione che tenderebbe gradualmente a zero dopo un tempo infinito. Misurazioni recenti suggeriscono che l’universo è piatto con un margine di errore del 2%.

È possibile che l’universo abbia generalmente una forma più complessa  e una diversa curvatura. Ad esempio, l’universo potrebbe avere la forma di un toro ( ciambella ).

Universo in espansione: Negli anni ’20, l’astronomo Edwin Hubble scoprì che l’ universo non era statico ma si stava espandendo; una scoperta che ha rivelato che l’universo era apparentemente nato da un Big Bang.

Dopo questa scoperta si pensò che la gravità della materia nell’universo ne avrebbe rallentato l’espansione. Poi nel 1998 le osservazioni con il telescopio spaziale Hubble sulle supernovae molto distanti hanno rivelato che molto tempo fa l’universo si stava espandendo più lentamente. In altre parole, l’espansione dell’universo non stava rallentando a causa della gravità, ma stava accelerando. Il nome della forza sconosciuta che governa questa espansione accelerata è l’energia oscura e rimane uno dei più grandi misteri della scienza.

Dal Big Bang all’espansione dell’Universo, passando per l’inflazione, la re-ionizzazione, la nascita delle stelle e poi delle galassie in poco più di 2 minuti. Giusto per farsi un’idea

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Goldhaber, G and Perlmutter, S, A study of 42 type Ia supernovae and a resulting measurement of Omega(M) and Omega(Lambda), Physics Reports-Review section of Physics Letters, 307 (1-4): 325-331, Dec. 1998.
  2. Garnavich PM, Kirshner RP, Challis P, et al. Constraints on cosmological models from Hubble Space Telescope observations of high-z supernovae, Astrophysical Journal, 493 (2): L53+ Part 2, Feb. 1 1998.
  3. S. Perlmutter, Measurements of Omega and Lambda from 42 high redshift supernovae, in Astrophysical Journal, vol. 517, nº 2, 1999, pp. 565–86, DOI:10.1086/307221, arXiv:astro-ph/9812133.
  4. A. G. Riess, Observational evidence from supernovae for an accelerating Universe and a cosmological constant, in Astronomical Journal, vol. 116, nº 3, 1998, pp. 1009–38, DOI:10.1086/300499, arXiv:astro-ph/9805201.
  5. B. Leibundgut, J. Sollerman, A cosmological surprise: the universe accelerates, in Europhysics News, vol. 32, nº 4, 2001.
  6. Confirmation of the accelerated expansion of the Universe, Centre National de la Recherche Scientifique
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