Measuring the Hubble Constant: The Tension

Misurare la costante di Hubble: la tensione

Discrepanze tra misure locali e dell'universo primordiale che alimentano nuove questioni cosmologiche

L'importanza di H0

La costante di Hubble (H0) stabilisce il tasso attuale di espansione dell'universo, tipicamente espresso in chilometri al secondo per megaparsec (km/s/Mpc). Un valore preciso di H0 è cruciale in cosmologia perché:

  1. Determina l'età dell'universo quando si esegue un'estrapolazione all'indietro dall'espansione.
  2. Calibra la scala delle distanze per altre misurazioni cosmiche.
  3. Aiuta a rompere le degenerazioni nelle stime dei parametri cosmologici (es. densità della materia, parametri dell'energia oscura).

Tradizionalmente, gli astronomi misurano H0 tramite due strategie distinte:

  • Approccio locale (scala delle distanze): Costruire dalla parallasse alle Cefeidi o TRGB (Tip of the Red Giant Branch), quindi usare supernove di Tipo Ia, ottenendo un tasso di espansione diretto nell'universo relativamente vicino.
  • Approccio all'universo primordiale: Inferire H0 dai dati del fondo cosmico a microonde (CMB) sotto un modello cosmologico scelto (λCDM), più oscillazioni acustiche barioniche o altri vincoli.

Negli ultimi anni, questi due approcci forniscono valori di H0 significativamente diversi: una misura locale più alta (~73–75 km/s/Mpc) contro una misura basata sul CMB più bassa (~67–68 km/s/Mpc). Questa discrepanza—chiamata “Hubble tension”—suggerisce o nuova fisica oltre il modello standard λCDM o sistematiche non risolte in uno o entrambi i metodi di misura.

2. Scala Locale delle Distanze: Un Approccio Passo dopo Passo

2.1 Parallasse e Calibrazione

La fondazione della scala locale delle distanze è la parallasse (trigonometrica) per stelle relativamente vicine (missione Gaia, parallasse HST per Cefeidi, ecc.). La parallasse stabilisce la scala assoluta per le candele standard come le variabili Cefeidi, che hanno una relazione periodo-luminosità ben caratterizzata.

2.2 Cefeidi e TRGB

  • Variabili Cefeidi: Il gradino chiave per calibrare indicatori più distanti come le supernove di Tipo Ia. Freedman e Madore, Riess et al. (team SHoES) e altri hanno perfezionato le calibrazioni locali delle Cefeidi.
  • Tip of the Red Giant Branch (TRGB): Un'altra tecnica utilizza la luminosità delle giganti rosse all'inizio del flash dell'elio in popolazioni povere di metalli. Il team Carnegie–Chicago (Freedman et al.) ha misurato una precisione di ~1% in alcune galassie locali, fornendo un'alternativa alle Cefeidi.

2.3 Supernove di Tipo Ia

Una volta che le Cefeidi (o TRGB) nelle galassie ospiti ancorano le luminosità delle supernove, è possibile misurare le supernove fino a centinaia di Mpc. Confrontando la luminosità apparente delle supernove con la luminosità assoluta derivata, otteniamo le distanze. Tracciare la velocità di recessione (dal redshift) in funzione della distanza fornisce localmente H0.

2.4 Le misure locali

Riess et al. (SHoES) trovano tipicamente H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (con incertezza ~1,0–1,5%). Freedman et al. (TRGB) trovano valori ~69–71 km/s/Mpc, leggermente inferiori a Riess ma comunque superiori al ~67 basato su Planck. Quindi, mentre le misure locali differiscono un po' tra loro, si raggruppano tipicamente intorno a 70–74 km/s/Mpc—più alto del ~67 di Planck.

3. Approccio dell'universo primordiale (CMB)

3.1 Il modello ΛCDM e la CMB

Le anisotropie del fondo cosmico a microonde (CMB) misurate da WMAP o Planck, sotto un modello cosmologico standard ΛCDM, inferiscono le scale dei picchi acustici e altri parametri. Dal fitting dello spettro di potenza CMB si ottengono Ωb h², Ωc h² e altri parametri. Combinando questi con l'assunzione di piattezza e con dati BAO o altri, si ricava un H0 derivato.

3.2 La misura di Planck

I dati finali della collaborazione Planck tipicamente forniscono H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (a seconda dei priors esatti), circa 5–6σ più basso della misura locale SHoES. Questa differenza, nota come tensione di Hubble, ha una significatività di ~5σ, sufficiente a suggerire che sia improbabile che sia un caso fortuito.

3.3 Perché la discrepanza è importante

Se il modello standard ΛCDM è corretto e i dati di Planck sono sistematicamente robusti, allora i metodi locali della scala delle distanze devono contenere una sistematica non riconosciuta. In alternativa, se le distanze locali sono accurate, forse il modello dell'universo primordiale è incompleto—nuova fisica potrebbe influenzare l'espansione cosmica o qualche specie relativistica aggiuntiva o energia oscura precoce modifica il valore inferito di H0.

4. Potenziali fonti della discrepanza

4.1 Errori sistematici nella scala delle distanze?

Un sospetto è che le calibrazioni dei Cepheid o la fotometria delle supernove possano contenere sistematiche non corrette—come effetti di metallicità sulla luminosità dei Cepheid, correzioni per flussi locali o bias di selezione. Tuttavia, la forte coerenza interna tra più gruppi riduce la probabilità di un errore grande. Anche i metodi TRGB convergono su un H0 moderatamente alto, sebbene leggermente inferiore ai Cepheid, ma comunque superiore a Planck.

4.2 Sistematiche non riconosciute nella CMB o in ΛCDM?

Un'altra possibilità è che l'interpretazione della CMB di Planck sotto ΛCDM manchi un fattore cruciale, ad esempio:

  • Fisica estesa dei neutrini o una specie relativistica extra (Neff).
  • Energia oscura precoce vicino alla ricombinazione.
  • Geometria non piatta o energia oscura variabile nel tempo.

Planck non rileva segni forti di queste, ma appaiono lievi indizi in alcune estensioni dei modelli. Nessuna finora risolve in modo convincente la tensione senza generare altre anomalie o aumentare la complessità.

4.3 Due Costanti di Hubble Diverse?

Alcuni sostengono che il tasso di espansione a basso redshift potrebbe differire dalla media globale se esistono grandi strutture locali o eterogeneità (la “bolla di Hubble”), ma i dati da molte direzioni, altre scale cosmiche e l'assunzione generale di omogeneità rendono meno probabile che un vuoto locale significativo o un ambiente locale spieghino completamente la tensione.

5. Sforzi per risolvere la tensione

5.1 Metodi indipendenti

I ricercatori testano calibrazioni locali alternative:

  • Masers in galassie megamaser (come NGC 4258) come ancoraggio per le distanze delle supernovae.
  • Ritardi temporali da lensing forte (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Fluttuazioni di luminosità superficiale nelle galassie ellittiche.

Finora, questi generalmente supportano H0 nell'intervallo tra la fine dei 60 e l'inizio dei 70, senza convergere tutti allo stesso valore esatto, ma tipicamente sopra 67. Quindi, nessun singolo metodo indipendente ha eliminato la tensione.

5.2 Più dati da DES, DESI, Euclid

BAO misurati a diversi redshift possono ricostruire H(z) per testare se emerge qualche deviazione da ΛCDM tra z = 1100 (epoca CMB) e z = 0. Se i dati mostrano un'evoluzione che produce un H0 locale più alto pur corrispondendo a Planck ad alto z, ciò potrebbe indicare nuova fisica (come l'energia oscura precoce). DESI punta a una misura della distanza con ~1% di precisione a più redshift, chiarendo possibilmente il percorso dell'espansione cosmica.

5.3 Scala delle distanze di nuova generazione

I team locali continuano a perfezionare le calibrazioni del parallasse tramite i dati di Gaia, migliorando i punti zero dei Cefeidi e ricontrollando le sistematiche nella fotometria delle supernovae. Se la tensione persiste con errori più piccoli, il caso per una nuova fisica oltre ΛCDM si rafforza. Se si dissolve, confermeremo la solidità di ΛCDM.

6. Le implicazioni per la cosmologia

6.1 Se Planck ha ragione (H basso0)

Un H basso0 ≈ 67 km/s/Mpc è in linea con il ΛCDM standard da z = 1100 fino ad ora. Allora i metodi della scala delle distanze locali devono essere sistematicamente errati, oppure abitiamo in una regione locale insolita. Questo scenario indica che l'età dell'universo è di ~13,8 miliardi di anni. Le previsioni sulla struttura su larga scala rimangono coerenti con i dati di clustering delle galassie, BAO e lensing.

6.2 Se la scala locale è corretta (H alto0)

Se H0 Se ≈ 73 è corretto, allora l'adattamento standard ΛCDM a Planck deve essere incompleto. Potremmo aver bisogno di:

  • Ulteriore energia oscura primordiale che accelera temporaneamente l’espansione prima della ricombinazione, modificando gli angoli dei picchi così che l’inferenza di H0 basata su Planck risulta ridotta.
  • Gradi di libertà relativistici extra o nuova fisica dei neutrini.
  • Una rottura nell’assunzione di un universo piatto, puramente ΛCDM.

Questa nuova fisica potrebbe risolvere la tensione a costo di modelli più complessi, ma potrebbe essere testata da altri dati (lente CMB, vincoli sulla crescita della struttura, nucleosintesi del big bang).

6.3 Prospettive future

La tensione invita a controlli incrociati robusti. CMB-S4 o dati di shear cosmico di livello superiore possono verificare se la crescita della struttura è coerente con espansioni H0 alte o basse. Se la tensione rimane costante a ~5σ, segnala fortemente che il modello standard necessita di revisione. Un grande sviluppo teorico o una risoluzione sistematica potrebbero infine decidere il verdetto.

7. Conclusione

Misurare la costante di Hubble (H0) è al centro della cosmologia, collegando osservazioni locali dell’espansione con il quadro dell’universo primordiale. I metodi attuali producono due risultati distinti:

  1. Scala delle distanze locale (tramite Cefeidi, TRGB, SNe) tipicamente fornisce H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. Fit ΛCDM basati sul CMB, usando dati Planck, danno H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Questa “tensione di Hubble,” con una significatività di circa 5σ, implica o sistematiche non riconosciute in un approccio o nuova fisica oltre il modello standard ΛCDM. I miglioramenti in corso nella calibrazione del parallasse (Gaia), nel punto zero delle supernovae, nelle distanze da ritardo temporale di lente gravitazionale e nei BAO ad alto redshift stanno testando ogni ipotesi. Se la tensione persiste, potrebbe rivelare soluzioni esotiche (energia oscura primordiale, neutrini extra, ecc.). Se diminuisce, confermeremo la solidità di ΛCDM.

Qualsiasi risultato modella profondamente la nostra narrazione cosmica. La tensione stimola nuove campagne osservative (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) e modelli teorici avanzati, dimostrando la natura dinamica della cosmologia moderna—dove dati precisi e anomalie persistenti guidano la nostra ricerca per unificare l'universo primordiale e attuale in un quadro coerente.

Riferimenti e Letture Consigliate

  1. Riess, A. G., et al. (2016). “Una determinazione del 2,4% del valore locale della costante di Hubble.” The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). “Risultati Planck 2018. VI. Parametri cosmologici.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). “Il Programma Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Una determinazione indipendente della costante di Hubble basata sulla punta del ramo delle giganti rosse.” The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). “Tensioni tra l'Universo primordiale e quello attuale.” Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). “Guida per cacciatori della costante di Hubble.” Physics Today, 73, 38.

 

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