Le densità di energia offrono una nuova strada per risolvere la tensione di Hubble
plot di ampiezza BAO rispetto alla frazione di barione.
Ricercatori dell'Università di Waterloo hanno proposto un nuovo metodo per misurare la costante di Hubble che potrebbe aiutare a risolvere uno degli enigmi più pressanti della cosmologia moderna: la tensione di Hubble.
Lo studio pubblicato su Physical Review Letters mira a risolvere la tensione di Hubble, una discrepanza tra il valore della costante di Hubble (H0) derivante dal metodo locale (scala di distanza) e il metodo del fondo cosmico a microonde (CMB).
il dottor Alex Krolewski, ricercatore post-dottorato presso l'Università di Waterloo ha spiegato:
"La tensione di Hubble tra le misurazioni del tasso di espansione dell'universo all'inizio del tempo, su larga scala, e quelle locali, in tarda età, ha ora raggiunto il livello di 5-sigma! Si tratta di una probabilità inferiore a 0,0000003 di verificarsi per caso”.
Il metodo della scala delle distanze fornisce un valore di 73 km/s/Mpc (chilometri al secondo per megaparsec), mentre il metodo della CMB fornisce 67 km/s/Mpc. Questa differenza è significativa e indica una lacuna nella nostra comprensione.
L'orizzonte sonoro
Il metodo della scala di distanza utilizza come candele oggetti vicini come le stelle variabili Cefeidi e le supernove di tipo 1a, cioè oggetti di cui conosciamo la luminosità. Si misurano le distanze di questi oggetti e i loro redshift, che possono essere utilizzati per calcolare la costante di Hubble.
D'altra parte, i metodi che utilizzano la CMB si basano sull'orizzonte sonoro, una misura standard in cosmologia. Si tratta di una misura della distanza massima percorsa dalle onde sonore nell'universo primordiale prima del disaccoppiamento tra luce e materia.
Questi approcci richiedono ai ricercatori di fare ipotesi sul modello lambda CDM, il miglior modello cosmologico dell'universo attuale.
Ciò ha portato i ricercatori a modificare la fisica dell'universo primordiale per ridurre l'orizzonte sonoro, il che aumenta il valore della costante di Hubble derivata dai dati della CMB, riducendo la discrepanza. Il problema è la dipendenza dall'orizzonte sonoro e quindi dal modello lambdaCDM. Krolewski e il suo team hanno cercato di eliminare questo problema.
"Il nostro nuovo metodo stima invece la densità di energia totale dell'universo o la densità critica, che è direttamente correlata al tasso di espansione. Come disse John Archibald Wheeler: ‘Lo spaziotempo dice alla materia come muoversi; la materia dice allo spaziotempo come curvarsi’", ha spiegato Krolewski.
Misure della frazione barionica
L'approccio dei ricercatori è un metodo completamente nuovo per misurare la costante di Hubble da osservazioni di strutture su larga scala a basso redshift, indipendenti dall'orizzonte sonoro.
Il loro metodo combina quattro misure indipendenti per calcolare la costante di Hubble.
Si tratta della densità fisica di fotoni ricavata dalla temperatura della CMB, del rapporto barioni-fotoni derivato dall'abbondanza di deuterio primordiale, della frazione di barioni ricavata dall'ampiezza delle oscillazioni acustiche dei barioni nell'ammasso di galassie e della densità geometrica di materia ricavata dalle misure di Alcock-Paczynski.
“Il nostro metodo si basa sul bootstrapping dalle ben note densità di energia dei fotoni e della materia ordinaria alla densità di energia totale dell'universo”, ha detto il dottor Krolewski.
L'innovazione del loro metodo consiste nell'estrarre la frazione barionica dai dati di raggruppamento delle galassie, un parametro che viene generalmente trascurato nelle analisi standard.
Questa misura indica il rapporto tra la materia ordinaria (o barionica) e la materia totale (che include la materia oscura) nell'universo. Questo parametro sarebbe pari all'unità se tutta la materia dell'universo fosse barionica e a zero se tutta la materia fosse oscura.
L'approccio dell'orizzonte sonoro utilizza i dati sulla distribuzione delle oscillazioni acustiche barioniche (BAO), che sono increspature nella distribuzione della materia. D'altra parte, la misura della frazione barionica si concentra sulla forza di queste increspature, rendendola indipendente dall'orizzonte sonoro.
Restringimento dei vincoli
I ricercatori hanno utilizzato il loro approccio privo di orizzonti sonori e lo hanno testato sui dati della Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS DR12) della Sloan Digital Sky Survey.
Il loro metodo ha prodotto un valore della costante di Hubble di 67,1 km/s/Mpc con un'incertezza di +6,3/-5,3. Questo valore è coerente con entrambe le misurazioni e quindi non favorisce nessuno dei due lati della tensione.
"Abbiamo testato il nostro metodo su finte indagini di galassie con diversi modelli cosmologici e abbiamo scoperto che siamo sempre riusciti a recuperare il valore corretto del tasso di espansione. Nel complesso, il nostro metodo è molto robusto alle incertezze sistematiche", ha osservato il dottor Krolewski.
Anche se i risultati non risolvono definitivamente la tensione di Hubble, si prevede che le indagini future, come il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) e il satellite Euclid, miglioreranno i vincoli.
"DESI ed Euclid misureranno la caratteristica BAO nella distribuzione delle galassie con una precisione al di sotto del 10%. Con questa precisione, potremo misurare l'ampiezza del BAO con un'accuratezza molto migliore di quella attuale. Con i dati completi di DESI ed Euclid, potremo distinguere tra i valori locali e quelli della CMB per il tasso di Hubble", ha concluso Krolewski.