La costante di Hubble rappresenta uno dei parametri cosmologici più fondamentali della fisica moderna: essa quantifica la velocità con cui l'universo si sta espandendo in ogni sua direzione. Da decenni, tuttavia, la cosmologia è alle prese con una delle sue controversie più profonde — la cosiddetta tensione di Hubble — ovvero il disaccordo sistematico tra i valori di questa costante ottenuti studiando l'universo primordiale e quelli ricavati dall'universo più vicino e recente. Questo conflitto non è un semplice errore di misura: se confermato, potrebbe indicare la necessità di rivedere profondamente il modello cosmologico standard, aprendo la strada a nuova fisica ancora sconosciuta. Proprio in questo contesto si inserisce un contributo metodologico di notevole interesse da parte di un gruppo di astrofisici e cosmologi delle Università dell'Illinois Urbana-Champaign e di Chicago.
Il team, guidato da Nicolás Yunes, professore di fisica all'Università dell'Illinois e direttore fondatore dell'Illinois Center for Advanced Studies of the Universe (ICASU), ha sviluppato un approccio inedito per stimare la costante di Hubble sfruttando le onde gravitazionali — increspature nello spaziotempo prodotte da eventi cosmici catastrofici come la fusione di buchi neri. Il lavoro, accettato per la pubblicazione su Physical Review Letters nel numero del 11 marzo e già disponibile in preprint su arXiv, rappresenta un passo metodologico rilevante nel tentativo di ottenere misure indipendenti della costante di Hubble con strumenti fisici diversi da quelli tradizionalmente usati.
Per comprendere l'importanza di questa ricerca, occorre ripercorrere brevemente le due principali famiglie di metodi con cui gli astronomi misurano l'espansione cosmica. Il primo approccio, basato sull'elettromagnetismo, si avvale delle cosiddette "candele standard": le supernovae di tipo Ia, esplosioni stellari la cui luminosità intrinseca è nota con buona precisione. Conoscendo quanto un oggetto è davvero luminoso e quanto appare luminoso dal nostro punto di osservazione, è possibile ricavarne la distanza; combinando questa con la velocità di allontanamento, si ottiene la costante di Hubble. Il secondo approccio utilizza le onde gravitazionali tramite il cosiddetto metodo delle sirene standard, che sfrutta la geometria delle fusioni tra oggetti compatti per stimare le distanze cosmiche direttamente, senza dipendere dalla scala delle distanze astronomiche.
Il problema è che questi metodi non convergono sullo stesso valore. Le misure basate sulla radiazione cosmica di fondo a microonde — una fotografia dell'universo primordiale — forniscono un valore della costante di Hubble di circa 67,4 km/s/Mpc, mentre le osservazioni dell'universo locale, comprese quelle con le supernovae, indicano circa 73 km/s/Mpc. Una discrepanza superiore a 5 sigma che la comunità scientifica non riesce ancora a spiegare in modo definitivo. Le ipotesi in campo includono l'energia oscura precoce, interazioni tra materia oscura e neutrini, o variazioni nel comportamento dell'energia oscura nel tempo.
L'innovazione proposta dal gruppo dell'Illinois si concentra su un fenomeno fisico specifico: il fondo stocastico di onde gravitazionali. Le fusioni tra buchi neri avvengono continuamente nell'universo, ma la stragrande maggioranza di questi eventi è troppo debole o troppo lontana per essere rilevata individualmente dai grandi interferometri terrestri come quelli della collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), una rete globale di rilevatori che conta oltre 2.000 membri. Tuttavia, la sovrapposizione di milioni di questi segnali debolissimi genera un rumore di fondo gravitazionale pervasivo e continuo, analogo al brusio di fondo che si sentirebbe in una stanza affollata dove nessuna singola conversazione è distinguibile.
Il ragionamento fisico alla base del nuovo metodo — battezzato metodo delle sirene stocastiche — è di elegante semplicità concettuale. Se la costante di Hubble fosse più bassa, il volume osservabile dell'universo risulterebbe più piccolo, e le fusioni di buchi neri sarebbero concentrate in uno spazio più ridotto, producendo un fondo gravitazionale più intenso. Se invece questo segnale di fondo non viene rilevato oltre una certa soglia, è possibile escludere valori troppo bassi della costante di Hubble. Come ha spiegato Bryce Cousins, dottorando in fisica all'Illinois, NSF Graduate Research Fellow e primo autore dello studio: "Osservando le fusioni individuali di buchi neri, possiamo determinare la frequenza con cui avvengono nell'universo; da questa frequenza, ci aspettiamo che esistano molti altri eventi che non riusciamo a osservare singolarmente, e che insieme formino il fondo gravitazionale."
Il team ha testato il proprio metodo sui dati attuali della collaborazione LVK. Anche senza aver ancora rilevato direttamente il fondo stocastico, i ricercatori sono stati in grado di escludere valori particolarmente bassi della costante di Hubble. Quando hanno poi combinato il metodo delle sirene stocastiche con le misure già disponibili provenienti da singole fusioni di buchi neri, hanno ottenuto una stima più precisa della costante di Hubble, con risultati che si collocano nell'intervallo rilevante per la tensione di Hubble. Co-autore del lavoro è anche Daniel Holz, professore di fisica e astrofisica all'Università di Chicago e fellow del Kavli Institute for Cosmological Physics.
Le prospettive di questo approccio sono legate all'evoluzione della sensibilità degli interferometri gravitazionali. Gli scienziati stimano che il fondo stocastico di onde gravitazionali potrebbe essere rilevato direttamente entro circa sei anni, con la prossima generazione di rivelatori. Nel frattempo, ogni miglioramento nei limiti superiori sul segnale di fondo consentirà di restringere ulteriormente l'intervallo di valori plausibili per la costante di Hubble. Come ha sintetizzato Cousins, "includendo queste informazioni, ci aspettiamo di ottenere risultati cosmologici sempre più precisi e di avvicinarci alla risoluzione della tensione di Hubble." La domanda aperta rimane se, una volta che tutti questi strumenti indipendenti raggiungeranno la loro piena maturità, il valore della costante convergerà verso un accordo o se la discrepanza persistente indicherà definitivamente la necessità di una fisica cosmologica fondamentalmente nuova.
