L'universo si sta espandendo. La velocità con cui lo fa è descritta dalla cosiddetta costante di Hubble-Lemaitre. Ma c'è una controversia su quanto sia effettivamente grande questa costante: diversi metodi di misurazione forniscono valori contraddittori. Questa cosiddetta "tensione di Hubble" rappresenta un enigma per i cosmologi. I ricercatori delle Università di Bonn e St. Andrews propongono ora una nuova soluzione, utilizzando una teoria alternativa della gravità, la discrepanza nei valori misurati può essere facilmente spiegata: la tensione di Hubble scompare. Lo studio è stato ora pubblicato negli Avvisi mensili della Royal Astronomical Society (MNRAS).
L'espansione dell'Universo
L'espansione dell'universo è uno dei concetti fondamentali della cosmologia moderna, e la sua comprensione è stata notevolmente arricchita dal lavoro pionieristico di Edwin Hubble, uno degli astronomi più influenti del XX secolo.
Quando osserviamo le galassie nello spazio, ci rendiamo conto che esse non solo si trovano in costante movimento, ma si allontanano l'una dall'altra con una velocità che aumenta proporzionalmente alla distanza tra di loro. Questo fenomeno è noto come legge di Hubble-Lemaître, dal nome di Edwin Hubble e del matematico e cosmologo belga Georges Lemaître, che contribuirono significativamente alla sua formulazione.
La costante di Hubble-Lemaître
Per capire come calcolare questa velocità di allontanamento, dobbiamo innanzitutto misurare la distanza tra le galassie in questione. Ma questa misura da sola non è sufficiente. È qui che entra in gioco la costante di Hubble-Lemaître, che è essenzialmente un fattore di scala che ci permette di convertire la distanza tra le galassie in una velocità di allontanamento.
La costante di Hubble-Lemaître può essere determinata attraverso osservazioni accurate delle galassie più remote dell'universo. Misurando le distanze a cui si trovano queste galassie e osservando la velocità con cui si allontanano da noi, possiamo ottenere una stima affidabile di questa costante.
Un dato interessante è che la costante di Hubble-Lemaître ha un'unità di misura insolita: la velocità di allontanamento viene espressa in chilometri al secondo per megaparsec (km/s/Mpc). Questo significa che per ogni megaparsec di distanza tra noi e una data galassia, ci aspettiamo che questa galassia si allontani da noi di una certa quantità di chilometri al secondo.
Un valore comunemente accettato per la costante di Hubble-Lemaître è di circa 70 chilometri al secondo per megaparsec. Questo significa che una galassia distante 1 megaparsec da noi dovrebbe allontanarsi ad una velocità di circa 70 chilometri al secondo, mentre una galassia distante 2 megaparsec dovrebbe allontanarsi ad una velocità di circa 140 chilometri al secondo, e così via.
In termini pratici, questo ci permette di comprendere meglio l'espansione dell'universo e di trarre importanti conclusioni sulla sua storia e sul suo destino finale.
L'eccezione delle Supernove 1a
"Ma si possono anche osservare i corpi celesti che sono molto più vicini a noi, le cosiddette supernove di categoria 1a, che sono un certo tipo di stelle che esplodono", spiega il Prof. Dr. Pavel Kroupa dell'Istituto Helmholtz di fisica delle radiazioni e nucleare presso l'Università di Bonn. È possibile determinare con estrema precisione la distanza di una supernova 1a dalla Terra. Sappiamo anche che gli oggetti luminosi cambiano colore quando si allontanano da noi e più velocemente si muovono, più forte è il cambiamento.
Il Prof. Kroupa fa un'analisi accurata: osservando il cambiamento di colore delle supernove 1a e correlandolo con la loro distanza, è possibile calcolare la velocità con cui si allontanano da noi. Questo ci conduce alla determinazione di un valore per la costante di Hubble-Lemaître, che rappresenta la velocità di espansione dell'universo in relazione alla distanza. Sorprendentemente, questo valore calcolato si discosta da quello atteso, risultando essere poco meno di 264.000 chilometri orari per megaparsec di distanza.
L'Universo si espande più velocemente vicino a noi
Questa discrepanza suggerisce che l'universo sembra espandersi più rapidamente nelle nostre vicinanze, fino a una distanza di circa tre miliardi di anni luce, rispetto alla sua espansione complessiva. Tale osservazione è controintuitiva e solleva importanti interrogativi sulla nostra comprensione dell'universo e delle leggi fisiche che lo governano. Il Prof. Kroupa sottolinea che questa discrepanza tra la velocità di espansione locale e quella globale non è conforme alle attuali teorie cosmologiche e richiede un'approfondita riflessione e ulteriori indagini per essere pienamente compresa.
"L'universo sembra quindi espandersi più velocemente nelle nostre vicinanze – cioè fino a una distanza di circa tre miliardi di anni luce – che nel suo complesso", afferma Kroupa. "E in realtà non dovrebbe essere così."
Recenti osservazioni hanno sollevato un'interessante spiegazione per il fenomeno apparente di galassie che si allontanano da noi a velocità superiori a quanto previsto. Secondo questa teoria, la Terra si trova in una regione dello spazio caratterizzata da una bassa densità di materia, paragonabile a una sorta di "bolla" all'interno dell'universo. Questa bolla è circondata da una maggiore densità di materia, che esercita forze gravitazionali attrattive sulle galassie al suo interno, spingendole verso i confini della bolla.
Il dottor Indranil Banik dell'Università di St. Andrews spiega: "Ecco perché le galassie sembrano allontanarsi da noi a velocità superiori a quanto ci si aspetterebbe". Questo concetto suggerisce che le deviazioni osservate dalle previsioni cosmologiche standard potrebbero essere semplicemente il risultato di una "sottodensità" locale di materia.
Ulteriori conferme a questa ipotesi emergono da un recente studio condotto da un altro gruppo di ricerca. Essi hanno misurato la velocità media di un vasto numero di galassie che si trovano a una distanza di circa 600 milioni di anni luce dalla Terra. Sergij Mazurenko, del gruppo di ricerca di Kroupa, coinvolto nello studio, spiega: "Queste galassie si stanno allontanando da noi quattro volte più velocemente di quanto previsto dal modello cosmologico standard".
Una "bolla nell'impasto dell'universo"
Questo perché il modello standard non prevede tali sottodensità o "bolle": in realtà non dovrebbero esistere. Invece, la materia dovrebbe essere distribuita uniformemente nello spazio. Se così fosse, tuttavia, sarebbe difficile spiegare quali forze spingano le galassie alla loro elevata velocità.
"Il modello standard si basa su una teoria della natura della gravità avanzata da Albert Einstein", afferma Kroupa. "Tuttavia, le forze gravitazionali potrebbero comportarsi diversamente da quanto Einstein si aspettava".
Le evidenze sperimentali potrebbero suggerire una diversa interpretazione del comportamento gravitazionale rispetto alle previsioni di Einstein. Per esplorare questa possibilità, i ricercatori delle Università di Bonn e St. Andrews hanno impiegato una teoria alternativa della gravità in una simulazione al computer, conosciuta come "dinamica newtoniana modificata" (abbreviata come MOND), proposta da Mordehai Milgrom diversi decenni fa.
E la tensione di Hubble?
Nonostante la MOND sia ancora considerata una teoria outsider, i risultati della simulazione condotta dai gruppi di ricerca indicano che questa teoria è in grado di predire con precisione l'esistenza delle sottodensità nell'universo. Se la gravità si comportasse effettivamente secondo le ipotesi di Milgrom, ciò avrebbe conseguenze significative, come l'eliminazione della tensione di Hubble. In questo scenario, non esisterebbe più una costante per l'espansione dell'universo, ma piuttosto le deviazioni osservate sarebbero il risultato di irregolarità nella distribuzione della materia.