La velocità con cui l'universo si espande rappresenta oggi uno dei rompicapi più affascinanti e controversi della cosmologia moderna. Due metodologie di misurazione diverse forniscono risultati incompatibili tra loro: 73 chilometri al secondo per megaparsec quando si osservano oggetti relativamente vicini, contro 67 chilometri al secondo per megaparsec quando si analizza la radiazione cosmica di fondo che risale al Big Bang. Questa discrepanza, nota come "tensione di Hubble", potrebbe non essere semplicemente un errore sperimentale, ma indicare l'esistenza di fisica ancora sconosciuta che governa l'evoluzione del cosmo. Per fare luce su questo mistero, un team internazionale di astronomi che include ricercatori dell'Università di Tokyo ha sviluppato un approccio completamente innovativo, indipendente dai metodi tradizionali, sfruttando un fenomeno previsto dalla relatività generale di Einstein: il lensing gravitazionale.
La tecnica utilizzata dal gruppo coordinato dal professor assistente Kenneth Wong e dal ricercatore post-dottorato Eric Paic del Research Center for the Early Universe si chiama cosmografia a ritardo temporale. Il principio è tanto elegante quanto potente: quando una galassia estremamente massiva si interpone tra noi e un oggetto più distante come un quasar, la sua gravità devia la luce proveniente da quest'ultimo creando immagini multiple distorte dello stesso oggetto. Ciascuna di queste immagini segue un percorso leggermente diverso attraverso lo spazio-tempo, impiegando tempi differenti per raggiungerci. Osservando variazioni identiche nella luminosità del quasar che appaiono sfasate nel tempo nelle diverse immagini, gli astronomi possono calcolare con precisione queste differenze temporali e, combinandole con modelli della distribuzione di massa nella galassia che funge da lente, determinare il tasso di espansione dell'universo.
Il valore della costante di Hubble – che definisce quanto rapidamente lo spazio si dilata – è fondamentale per ricostruire l'intera storia evolutiva del cosmo. Per ogni 3,3 milioni di anni luce di distanza dalla Terra (una unità chiamata megaparsec nella terminologia astronomica), gli oggetti appaiono allontanarsi da noi a una velocità proporzionale a questa distanza. Le misurazioni tradizionali si basano su quello che gli scienziati chiamano "scale di distanza cosmiche", costruite utilizzando marcatori standard come le supernove di tipo Ia e le stelle variabili Cefeidi, la cui luminosità intrinseca è considerata ben nota. Questo permette agli astronomi di stimare le distanze anche in galassie remote confrontando la loro luminosità apparente con quella attesa.
Il problema emerge quando si confrontano queste misurazioni "locali" con quelle derivate dall'analisi della radiazione cosmica di fondo a microonde, la luce fossile emessa circa 380.000 anni dopo il Big Bang che permea tutto l'universo. Le osservazioni del satellite Planck dell'Agenzia Spaziale Europea hanno fornito mappe straordinariamente dettagliate di questa radiazione primordiale, permettendo agli scienziati di inferire le proprietà dell'universo nelle sue fasi iniziali e di calcolare come dovrebbe espandersi oggi. Tuttavia, questo calcolo produce sistematicamente un valore inferiore rispetto alle misurazioni basate su oggetti nell'universo attuale, creando quella che viene definita la tensione di Hubble.
Nello studio recentemente pubblicato, il team internazionale ha analizzato otto sistemi di lenti gravitazionali, ciascuno costituito da una galassia in primo piano che deflette la luce proveniente da un quasar distante. I quasar sono buchi neri supermassicci che accrescono attivamente materia, un processo che li rende tra gli oggetti più luminosi dell'universo. Le osservazioni hanno incorporato dati provenienti dai telescopi più avanzati attualmente disponibili, incluso il James Webb Space Telescope, che con i suoi strumenti a infrarossi può penetrare la polvere cosmica e fornire immagini di dettaglio senza precedenti. Il valore ottenuto per la costante di Hubble risulta consistente con le osservazioni dell'universo locale e diverge da quelle dell'universo primordiale, rafforzando l'ipotesi che la tensione abbia origine fisica reale.
Come spiega Wong, la forza di questo approccio risiede nella sua indipendenza metodologica: "La nostra misurazione è completamente indipendente da altri metodi, sia quelli basati sull'universo primordiale che su quello attuale. Se esistono incertezze sistematiche in quegli approcci, noi non dovremmo esserne influenzati". Questa caratteristica è cruciale perché permette di verificare se le discrepanze precedenti derivassero da errori nascosti nelle scale di distanza tradizionali o rappresentassero un fenomeno reale che richiede una revisione della nostra comprensione della cosmologia.
Nonostante i risultati promettenti, il lavoro necessita di ulteriori affinamenti. La precisione attuale del 4,5% è già notevole, ma per risolvere definitivamente la tensione di Hubble gli scienziati dovranno raggiungere un'accuratezza dell'1-2%. Come sottolinea Eric Paic, "l'obiettivo principale di questo lavoro era migliorare la nostra metodologia. Ora dobbiamo aumentare la dimensione del campione per migliorare la precisione e risolvere definitivamente la tensione di Hubble". Il team prevede di espandere il numero di sistemi lente studiati e di incorporare osservazioni ancora più dettagliate dai telescopi di nuova generazione.
Una delle principali fonti di incertezza rimane la distribuzione della massa nelle galassie che fungono da lente gravitazionale. Gli astronomi assumono generalmente che la massa segua profili semplici coerenti con le osservazioni, ma è difficile averne certezza assoluta, e questa ambiguità influenza direttamente i valori calcolati per la costante di Hubble. Affinare i modelli della distribuzione di materia ordinaria e materia oscura nelle galassie lente rappresenta quindi una priorità per le ricerche future, potenzialmente con applicazioni che vanno oltre la misurazione dell'espansione cosmica.
Le implicazioni di questa ricerca si estendono ben oltre il semplice perfezionamento di un numero. Se la tensione di Hubble dovesse rivelarsi un fenomeno reale e non un artefatto sperimentale, potrebbe indicare che la nostra comprensione dell'evoluzione cosmica è incompleta. Ipotesi attualmente discusse includono l'esistenza di forme di energia oscura più complesse di quanto ipotizzato, variazioni nelle proprietà fondamentali dell'universo nel tempo, o addirittura particelle esotiche ancora non scoperte che hanno influenzato l'espansione nelle fasi iniziali. Come evidenzia Wong, questo lavoro è frutto di una collaborazione decennale tra osservatori indipendenti e ricercatori di diverse nazioni, testimoniando l'importanza della cooperazione internazionale nella scienza contemporanea. Il progetto ha ricevuto finanziamenti dalla NASA, dalla National Science Foundation americana, dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft tedesca e dalla Japan Society for the Promotion of Science, riflettendo l'impegno globale per comprendere i misteri fondamentali del cosmo.
Nei prossimi anni, con l'accumulo di dati da un maggior numero di sistemi lente e il continuo perfezionamento delle tecniche osservative e modellistiche, la cosmografia a ritardo temporale potrebbe finalmente determinare se viviamo in un universo che si comporta esattamente come previsto dalle teorie attuali, o se dobbiamo prepararci a riscrivere alcuni capitoli fondamentali della fisica moderna. La risposta a questa domanda non solo risolverebbe la tensione di Hubble, ma potrebbe aprire una nuova era nella nostra comprensione dell'universo, dalle sue origini nel Big Bang fino al suo destino ultimo.