La lente gravitazionale ci fornisce una terza stima dell’espansione dell’universo: Ars Technica

Chiunque abbia misurato qualcosa due volte, come la larghezza di una porta, e abbia ottenuto due risposte diverse sa quanto possa essere fastidioso. Ora immagina di essere un fisico e ciò che misuri ci dice qualcosa di fondamentale sull’universo. Ci sono un certo numero di esempi come questo – sembra che non possiamo ottenere misure di accordo su quanto a lungo i neutroni sopravvivono al di fuori dei nuclei atomici, per esempio.

Ma pochi sono più fondamentali per il comportamento dell’universo delle controversie sul cosiddetto Costante di HubbleÈ una misura della velocità con cui l’universo si sta espandendo. L’abbiamo misurato usando le informazioni del fondo cosmico a microonde e abbiamo ottenuto un singolo valore. L’abbiamo misurata usando la distanza apparente degli oggetti nell’universo attuale e abbiamo ottenuto un valore che differiva di circa il 10%. Per quanto si può dire, non c’è niente di sbagliato in nessuna delle misurazioni e non esiste un modo ovvio per farle concordare.

Ora, i ricercatori sono stati in grado di effettuare una terza misurazione indipendente dell’espansione dell’universo monitorando il comportamento di una supernova con lente gravitazionale. Quando è stato scoperto per la prima volta, l’obiettivo aveva realizzato quattro immagini della supernova. Ma in seguito ne è apparso un quinto, e questo ritardo è stato influenzato dall’espansione dell’universo, da qui la costante di Hubble.

costante incoerente

La costante di Hubble è una misura dell’espansione dell’universo, come puoi vedere dalle sue unità, che sono chilometri al secondo per megaparsec. Pertanto, ogni secondo, ogni megafarsk nell’universo si espande di un certo numero di chilometri. Un altro modo di pensare a questo è in termini di un oggetto relativamente stazionario a una distanza di megaparsec: ogni secondo, si allontana di più chilometri.

Quanti chilometri? Questo è il problema qui. Le misurazioni del fondo cosmico a microonde con il satellite Planck hanno prodotto un valore di 67 km/s Mpc. Quelli realizzati tracciando supernove lontane danno un valore di 73 km/s Mpc. Non siamo sicuri del motivo per cui queste misurazioni differiscono o se c’è un problema tecnico con uno che non abbiamo ancora identificato. Ma è un grosso problema irrisolto.

Il nuovo lavoro include un terzo metodo di misurazione della distanza che è indipendente dagli altri due metodi. Si basa sulla lente gravitazionale, in cui la distorsione nello spazio-tempo causata da un oggetto massiccio funge da lente per ingrandire un oggetto sullo sfondo. Poiché questi obiettivi non sono perfetti in termini di qualità ottica, spesso si verificheranno distorsioni e irregolarità. Ciò fa sì che la luce dell’oggetto sullo sfondo prenda percorsi diversi verso il suolo, quindi un singolo oggetto può apparire in diverse posizioni distribuite attorno all’obiettivo.

Su scala cosmica, questi percorsi possono anche richiedere alla luce di percorrere distanze molto diverse per raggiungere la Terra. E poiché la luce viaggia a una velocità finita, ciò significa che possiamo guardare un oggetto come se fosse diverso volte. L’anno scorso, ad esempio, i ricercatori hanno individuato un’immagine del telescopio spaziale Hubble che ha catturato una supernova com’era in tre momenti diversi dopo l’esplosione.

Il nuovo lavoro si concentra su un esempio simile, una supernova identificata per la prima volta nel 2014, e Ora chiamato SN Refsdal, dal nome dell’astronomo che per primo propose di utilizzare esplosioni lenticolari per effettuare misurazioni. Quando è stata scoperta per la prima volta, la lontana SN Refsdal è stata catturata da un gruppo di galassie chiamato MACS J1149.6+2223, che ne ha creato quattro immagini distinte. Ma gli studi sull’obiettivo formato da MACS J1149.6 + 2223 hanno mostrato rapidamente che avrebbe creato un’immagine aggiuntiva dopo circa un anno.

Si scopre che quelle previsioni erano corrette. Le immagini scattate alla fine del 2015 hanno segnato la quinta immagine dell’evento creata dalla lente gravitazionale.

metro

I ritardi temporali che abbiamo osservato misurano la distanza extra che la luce percorre nel suo cammino verso la Terra. Queste distanze sono abbastanza grandi da essere influenzate dall’espansione dell’universo. Quindi, misurando le cose con sufficiente precisione, dovremmo avere un valore per l’espansione dell’universo, un’altra via per la costante di Hubble. Questa idea è stata ciò che ha dato il nome alla supernova Sjur Refsdal in primo luogo.

Ma il problema è che non conosciamo il percorso esatto della luce in questo caso. La maggior parte della massa dell’ammasso galattico è sotto forma di materia oscura, quindi non possiamo immaginarla direttamente. Possiamo realizzare modelli di dove è probabile che quella massa poggi sul sito del materiale visibile. Ma di solito controlliamo quei modelli in base a quanto bene l’obiettivo produce immagini. Ma in questo caso, i dati a cui stiamo cercando di dare un senso sono le immagini invertite. Quindi non puoi davvero usare le immagini come input e output per la stessa analisi.

Per far fronte a questo, i ricercatori hanno trattato l’intera faccenda come un problema di ottimizzazione. Hanno preso diversi modelli di lente gravitazionale e li hanno testati con una gamma di valori per la costante di Hubble, cercando quali combinazioni del modello più la costante danno la migliore corrispondenza per la posizione delle immagini dell’obiettivo e l’aspetto della fine del quinto Immagine.

Il miglior adattamento ai loro modelli finì per essere appena al di sotto del valore della costante di Hubble derivata dal fondo cosmico a microonde, con la differenza che rientrava nell’errore statistico. I valori più vicini a quelli derivati ​​dalle misurazioni di altre supernove si adattavano meglio ai dati.

I ricercatori sono attenti a dire che questo non significa che dovremmo escludere il valore più alto. Questo metodo è troppo nuovo e le incertezze che derivano da una sola supernova sono troppo grandi per essere viste come un’ultima parola. Ma è comunque importante, in parte perché fornisce un mezzo indipendente per arrivare alla costante di Hubble, e in parte perché c’è il potenziale per identificare futuri esempi di supernove a lente ritardata che possono darci più dati.

Infine, è interessante che i dati siano stati prodotti da un universo relativamente maturo, in cui sono presenti stelle e galassie. Tuttavia ha prodotto un valore più coerente con quello prodotto dal fondo cosmico a microonde, che si è formato all’inizio della storia dell’universo. Quindi almeno suggerisce che la differenza tra le altre due misure della costante di Hubble non è un prodotto di qualcosa di speciale nell’universo primordiale.

Scienza, 2023. DOI: 10.1126 / Scienza. abh1322 (sui DOI).