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Gli astrofisici propongono di misurare l’espansione dell’universo tramite l’effetto lente da onde gravitazionali prodotte dalla fusione di coppie di questi oggetti.
L’universo si sta espandendo: ne abbiamo avuto la prova per circa un secolo. Ma quanto velocemente gli oggetti celesti si stiano allontanando l’uno dall’altro è ancora in discussione.
Non è un’impresa da poco misurare la velocità con cui gli oggetti si allontanano su grandi distanze. Dalla scoperta dell’espansione cosmica, la sua velocità è stata misurata e rimisurata con crescente precisione, con alcuni degli ultimi valori che vanno da 67,4 fino a 76,5 chilometri al secondo per megaparsec, grandezza usata per esprimere la misura della distanza in astronomia.
La discrepanza tra le diverse misurazioni dell’espansione cosmica è chiamata “tensione di Hubble” e alcuni scienziati l’hanno definita una crisi della cosmologia.
Ma per l’astrofisico teorico della UC Santa Barbara Tejaswi Venumadhav Nerella e colleghi del Tata Institute of Fundamental Research di Bangalore, in India, e del Centro interuniversitario di astronomia e astrofisica di Pune, in India, questo è un periodo emozionante.
Dalla prima rilevazione di onde gravitazionali nel 2015, i rivelatori sono stati significativamente migliorati e sono pronti a produrre un ricco bottino di segnali nei prossimi anni.
Nerella e i suoi colleghi hanno escogitato un metodo per utilizzare questi segnali per misurare l’espansione dell’universo e forse aiutare a risolvere il dibattito una volta per tutte.
“Uno dei principali obiettivi scientifici dei futuri rivelatori è quello di fornire un catalogo completo degli eventi di onde gravitazionali, e questo sarà un uso completamente nuovo del notevole set di dati”, ha detto Nerella, co-autore di un articolo pubblicato su Physical Review Letters.
Le misurazioni del tasso di espansione cosmica si riducono alla velocità e alla distanza. Gli astronomi usano due tipi di metodi per misurare le distanze: il primo con oggetti con una lunghezza nota (“righelli standard”) e guarda quanto appaiono grandi nel cielo.
Questi “oggetti” sono caratteristiche della radiazione cosmica di fondo, o nella distribuzione delle galassie nell’universo.
Il secondo con oggetti di luminosità nota (“candele standard”) e misura le distanze dalla Terra usando la loro luminosità apparente.
Queste distanze sono collegate a quelle di oggetti più luminosi e così via, il che costruisce una catena di schemi di misurazione che viene spesso chiamata “scala delle distanze cosmiche”.
Per inciso, le onde gravitazionali stesse possono anche aiutare a misurare l’espansione cosmica, poiché l’energia rilasciata dalla collisione di stelle di neutroni o buchi neri può essere utilizzata per stimare la distanza da questi oggetti.
Il metodo che Nerella e i suoi coautori propongono appartiene al secondo metodo, ma utilizza la lente gravitazionale.
Questo è un fenomeno che si verifica quando oggetti massicci deformano lo spazio-tempo e piegano onde di ogni tipo che viaggiano vicino agli oggetti.
In rari casi, può produrre più copie dello stesso segnale di onde gravitazionali che raggiungono la Terra in momenti diversi: i ritardi tra i segnali per una popolazione di più eventi ripresi possono essere utilizzati per calcolare il tasso di espansione dell’universo, secondo i ricercatori.
“Comprendiamo molto bene quanto siano sensibili i rivelatori di onde gravitazionali e inoltre non ci sono fonti astrofisiche di confusione, quindi possiamo tenere conto correttamente di ciò che entra nel nostro catalogo di eventi”, ha detto Nerella.id. “Il nuovo metodo ha fonti di errore che sono complementari a quelle dei metodi esistenti, il che lo rende un buon discriminante.”
Le fonti di questi segnali sarebbero buchi neri binari: sistemi di due buchi neri che orbitano l’uno attorno all’altro e alla fine si fondono, rilasciando enormi quantità di energia sotto forma di onde gravitazionali.
Non abbiamo ancora rilevato esempi fortemente lenti di questi segnali, ma la prossima generazione di rilevatori terrestri dovrebbe avere il necessario livello di sensibilità.
“Ci aspettiamo la prima osservazione di queste onde gravitazionali nei prossimi anni”, ha detto il coautore dello studio Parameswaran Ajith.
Inoltre, questi futuri rivelatori dovrebbero essere in grado di vedere più lontano nello spazio e rilevare segnali più deboli.
Gli autori si aspettano che questi rivelatori avanzati inizino la loro ricerca per la fusione dei buchi neri nel prossimo decennio.
Prevedono di registrare segnali da alcuni milioni di coppie di buchi neri, una piccola frazione (circa 10.000) dei quali apparirà più volte nello stesso rivelatore a causa della lente gravitazionale.
La distribuzione dei ritardi tra queste apparizioni ripetute codifica il tasso di espansione di Hubble.
Secondo l’autore principale Souvik Jana, a differenza di altri metodi di misurazione, questo metodo non si basa sulla conoscenza delle posizioni esatte o delle distanze da questi buchi neri binari.
L’unico requisito è identificare con precisione un numero sufficientemente elevato di questi segnali con lente.
I ricercatori aggiungono che le osservazioni delle onde gravitazionali possono anche fornire indizi su altre questioni cosmologiche, come la natura della materia oscura invisibile che costituisce gran parte del contenuto energetico dell’universo.
Immagine: NASA Goddard Space Flight Center Scott Noble
