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Nuove teorie sull’espansione dell’Universo

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Artist’s impression of quasars, the cores of galaxies where an active supermassive black hole is pulling in matter from its surroundings at very intense rates, located at increasingly larger distances from us. As material falls onto the black hole, it forms a swirling disc that radiates in visible and ultraviolet light; this light, in turn, heats up nearby electrons, generating X-rays. The relation between the ultraviolet and X-ray brightness of quasars can be used to estimate the distance to these sources – something that is notoriously tricky in astronomy – and, ultimately, to probe the expansion history of the Universe. A team of astronomers has applied this method to a large sample of quasars observed by ESA’s XMM-Newton to investigate the history of our cosmos up to 12 billion years ago, finding there might be more to the early expansion of the Universe than predicted by the standard model of cosmology. Copyright ESA (artist's impression and composition); NASA/ESA/Hubble (background galaxies); CC BY-SA 3.0 IGO

Studiando la storia del nostro cosmo con un ampio campione di galassie “attive”, distanti, osservate dall’XMM-Newton dell’ESA, un gruppo di astronomi ha scoperto che potrebbe esserci di più nella prima espansione dell’Universo di quanto previsto dal modello standard di cosmologia.

Secondo lo scenario principale, il nostro universo contiene solo una piccola percentuale di materia ordinaria. Un quarto del cosmo è costituito dalla materia oscura elusiva, che possiamo sentire gravitazionalmente ma non osservare, e il resto consiste nell’energia oscura, ancora più misteriosa, che sta guidando l’attuale accelerazione nell’espansione dell’Universo.

Le galassie e la distorsione gravitazionale

Questo modello si basa su una moltitudine di dati raccolti negli ultimi due decenni, dallo sfondo cosmico a microonde, o CMB – la prima luce nella storia del cosmo, rilasciata solo 380.000 anni dopo il big bang e osservata in dettagli senza precedenti dalla missione Planck dell’ESA – a più osservazioni “locali”. Queste ultime includono esplosioni di supernova, ammassi di galassie e la distorsione gravitazionale impressa dalla materia oscura su galassie lontane. Tutti questi eventi possono essere utilizzati per tracciare l’espansione cosmica in epoche recenti della storia cosmica – negli ultimi nove miliardi di anni.

Un nuovo studio, condotto da Guido Risaliti dell’Università di Firenze, in Italia, e da Elisabeta Lusso dell’Università di Durham, Regno Unito, fa riferimento a un altro tipo di quasar traccianti cosmici – che riempirebbe parte del divario tra queste osservazioni, misurando l’espansione dell’Universo fino a 12 miliardi di anni fa.

I quasar

I quasar sono i nuclei delle galassie in cui un buco nero supermassiccio attivo sta estraendo la materia dai suoi dintorni a velocità molto intense, risplendendo attraverso lo spettro elettromagnetico. Quando il materiale cade sul buco nero, forma un disco vorticoso che irradia nella luce visibile e ultravioletta; questa luce, a sua volta, riscalda elettroni vicini, generando raggi X.

Tre anni fa, Guido ed Elisabeta realizzarono che una nota relazione tra l’ultravioletto e la luminosità dei raggi X dei quasar poteva essere usata per stimare la distanza da queste fonti – qualcosa che è notoriamente difficile in astronomia e, in definitiva, per sondare l’espansione dell’universo.

Le fonti astronomiche le cui proprietà ci permettono di misurare le loro distanze sono chiamate “candele standard”.

La supernova

La classe più notevole, conosciuta come supernova di tipo Ia, consiste nella spettacolare scomparsa delle nane bianche dopo che hanno riempito il materiale di una stella compagna, generando esplosioni di luminosità prevedibile che consente agli astronomi di individuare la distanza. Le osservazioni di queste supernove alla fine degli anni ’90 hanno rivelato l’espansione accelerata dell’universo negli ultimi miliardi di anni.

“Usare le quasar come candele standard ha un grande potenziale, dal momento che possiamo osservarle a distanze molto maggiori rispetto alle supernove di tipo Ia, e quindi usarle per esplorare epoche molto precedenti nella storia del cosmo”, spiega Elisabeta.

Con un considerevole campione di quasar a portata di mano, gli astronomi hanno ora messo in pratica i loro metodi, ei risultati sono intriganti.

L’archivio XMM-Newton

Scavando nell’archivio XMM-Newton, hanno raccolto i dati dei raggi X per oltre 7.000 quasar, combinandoli con le osservazioni ultraviolette del Sloan Digital Sky Survey basato a terra. Hanno anche usato un nuovo set di dati, appositamente ottenuti con XMM-Newton nel 2017 per guardare quasar molto lontani, osservandoli com’erano quando l’Universo aveva solo due miliardi di anni.

Infine, completarono i dati con un piccolo numero di quasar ancora più lontani e con alcuni relativamente vicini, osservati rispettivamente con gli osservatori a raggi X Chandra e Swift della NASA.

“Un campione così ampio ci ha permesso di esaminare attentamente la relazione tra l’emissione di raggi X e ultravioletti dei quasar in dettagli minuziosi, che ha affinato notevolmente la nostra tecnica per stimare la loro distanza”, dice Guido.

Le nuove osservazioni XMM-Newton di quasar distanti sono così buone che il team ha anche identificato due gruppi diversi: il 70 percento delle sorgenti brilla luminoso nei raggi X a bassa energia, mentre il restante 30 percento emette quantità inferiori di raggi X che sono caratterizzate da più alte energie. Per ulteriori analisi, hanno mantenuto solo il precedente gruppo di fonti, in cui la relazione tra raggi X e emissione ultravioletta appare più chiara.

“È abbastanza straordinario poter discernere un tale livello di dettaglio in fonti così distanti da noi che la loro luce viaggia da più di dieci miliardi di anni prima di raggiungerci”, afferma Norbert Schartel, scienziato del progetto XMM-Newton all’ESA.

L’espansione dell’Universo.

Dopo aver sfogliato i dati e portato il campione a circa 1.600 quasar, gli astronomi sono rimasti con le migliori osservazioni, portando a stime robuste della distanza da queste fonti che potrebbero essere utilizzate per investigare l’espansione dell’Universo.

“Quando uniamo il campione del quasar, che copre quasi 12 miliardi di anni di storia cosmica, con il campione più locale di supernove di tipo Ia, che copre solo gli ultimi otto miliardi di anni o giù di lì, troviamo risultati simili nelle epoche sovrapposte”, dice Elisabeta.

“Tuttavia, nelle fasi precedenti che possiamo solo sondare con i quasar, troviamo una discrepanza tra l’evoluzione osservata dell’Universo e ciò che prevediamo basato sul modello cosmologico standard.”

Analizzando questo periodo di storia cosmica precedentemente scarsamente esplorato con l’aiuto dei quasar, gli astronomi hanno rivelato una possibile tensione nel modello standard della cosmologia, che potrebbe richiedere l’aggiunta di parametri per riconciliare i dati con la teoria.

“Una delle possibili soluzioni sarebbe quella di invocare un’energia oscura in evoluzione, con una densità che aumenta col passare del tempo”, dice Guido.

Una discrepanza enigmatica

Per inciso, questo particolare modello allevierebbe anche un’altra tensione che ha tenuto occupati ultimamente i cosmologi, riguardo alla costante di Hubble – l’attuale tasso di espansione cosmica. Questa discrepanza è stata trovata tra le stime della costante di Hubble nell’universo locale, basate su dati di supernova, su ammassi di galassie e quelli basati sulle osservazioni di Planck, sullo sfondo cosmico di microonde nell’Universo primordiale.

“Questo modello è piuttosto interessante perché potrebbe risolvere due enigmi allo stesso tempo, ma la giuria non è ancora uscita e dovremo guardare molti più modelli in grande dettaglio prima di poter risolvere questo enigma cosmico”, aggiunge Guido.

Il team non vede l’ora di osservare ancora più quasar in futuro per perfezionare ulteriormente i loro risultati. Altri indizi verranno anche dalla missione Euclid dell’ESA, in programma per un lancio del 2022 per esplorare gli ultimi dieci miliardi di anni di espansione cosmica e indagare sulla natura dell’energia oscura.

 

 

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