Stiamo sbagliando qualcosa nell'universo.
Potrebbe essere qualcosa di piccolo: un problema di misurazione che rende certe stelle più vicine o più lontane di loro, qualcosa che gli astrofisici potrebbero risolvere con qualche modifica su come misurano le distanze attraverso lo spazio. Potrebbe essere qualcosa di grosso: un errore - o una serie di errori - in cosmologia, o la nostra comprensione dell'origine e dell'evoluzione dell'universo. In tal caso, la nostra intera storia di spazio e tempo potrebbe essere incasinata. Ma qualunque sia il problema, sta facendo in modo che le osservazioni chiave dell'universo siano in disaccordo tra loro: misurato in un modo, l'universo sembra espandersi a un certo ritmo; misurato in un altro modo, l'universo sembra espandersi a una velocità diversa. E, come mostra un nuovo documento, queste discrepanze sono aumentate negli ultimi anni, anche se le misurazioni sono diventate più precise.
"Pensiamo che se la nostra comprensione della cosmologia è corretta, allora tutte queste diverse misurazioni dovrebbero darci la stessa risposta", ha dichiarato Katie Mack, una cosmologa teorica presso la North Carolina State University (NCSU) e co-autrice del nuovo documento .
Le due misurazioni più famose funzionano in modo molto diverso l'una dall'altra. Il primo si basa sul Cosmic Microwave Background (CMB): la radiazione a microonde rimanente dai primi momenti dopo il Big Bang. I cosmologi hanno costruito modelli teorici dell'intera storia dell'universo su una base CMB - modelli di cui sono molto fiduciosi e che richiederebbero una fisica completamente nuova per rompersi. E presi insieme, ha detto Mack, producono un numero ragionevolmente preciso per la costante di Hubble, o H0, che regola la velocità con cui l'universo si sta attualmente espandendo.
La seconda misurazione utilizza supernova e stelle lampeggianti nelle galassie vicine, note come Cefeidi. Misurando quanto distano queste galassie dalla nostra e quanto velocemente si allontanano da noi, gli astronomi hanno ottenuto ciò che credono sia una misura molto precisa della costante di Hubble. E quel metodo offre un diverso H0.
"Se stiamo ottenendo risposte diverse, significa che c'è qualcosa che non conosciamo", ha detto Mack a Live Science. "Quindi non si tratta solo di comprendere l'attuale tasso di espansione dell'universo - che è qualcosa a cui siamo interessati - ma capire come si è evoluto l'universo, come si è evoluta l'espansione e quale spazio-tempo ha fatto tutto questo tempo."
Weikang Lin, anche cosmologo della NCSU e autore principale dell'articolo, ha affermato che per sviluppare un quadro completo del problema, il team ha deciso di riunire tutti i diversi modi di "vincolare" H0 in un unico posto. Il documento non è stato ancora formalmente rivisto da peer review o pubblicato ed è disponibile sul server di prestampa arXiv.
Ecco cosa significa "vincolante": le misurazioni in fisica raramente danno risposte esatte. Invece, hanno posto dei limiti alla gamma di possibili risposte. E guardando insieme questi vincoli, puoi imparare molto su qualcosa che stai studiando. Guardando attraverso un telescopio, ad esempio, potresti imparare che un punto di luce nello spazio è rosso, giallo o arancione. Un altro potrebbe dirti che è più luminoso della maggior parte delle altre luci nello spazio ma meno luminoso del sole. Un altro potrebbe dirti che si sta muovendo attraverso il cielo più veloce di un pianeta. Nessuno di questi vincoli ti direbbe molto da solo, ma presi insieme suggeriscono che stai guardando Marte.
Lin, Mack e il loro terzo coautore, Liqiang Hou, studente laureato dell'NCSU, hanno esaminato i vincoli di due costanti: H0, e qualcosa chiamato "frazione di massa" dell'universo, indicato come Ωm, che ti dice quanto dell'universo è energia e quanto conta la materia. Molte misure di H0 vincolano anche Ωm, ha detto Lin, quindi è utile guardarle insieme.
Che ha prodotto questa trama colorata:
Il WMAP ovale magenta allungato etichettato è la gamma di possibili frazioni di massa e costanti di Hubble che un tempo erano possibili sulla base di un importante studio della CMA sulla NASA, noto come Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. La colonna gialla etichettata CV SN (abbreviazione di "Supernovae di tipo Ia calibrato cepheide") si riferisce alle misurazioni cepheide-supernova, che non vincolano la frazione di massa dell'universo, ma vincolano H0. La barra rossa etichettata SN P (abbreviazione di "Type-Ia Supernovae Pantheon") è un grosso vincolo per la frazione di massa dell'universo.
Puoi vedere che i bordi di WMAP e CV SN si sovrappongono, per lo più al di fuori della barra rossa. Questo è stato il quadro della discrepanza alcuni anni fa, Mack ha detto: Abbastanza significativo da preoccuparsi che le due misurazioni stessero dando risposte diverse, ma non così significative da renderle incompatibili con un piccolo ritocco.
Ma negli ultimi anni c'è stata una nuova misurazione della CMB da un gruppo chiamato Planck Collaboration. La Planck Collaboration, che ha pubblicato il suo ultimo set di dati nel 2018, ha posto vincoli molto rigidi alla frazione di massa e al tasso di espansione dell'universo, indicato dal nastro nero sulla trama etichettata Planck.
Ora, gli autori hanno scritto, emergono due immagini selvaggiamente diverse dell'universo. Planck e WMAP - insieme a una serie di altri approcci per limitare H0 e Ωm - sono tutti più o meno compatibili. C'è un posto nella trama, nel cerchio di trattini bianchi, in cui tutti consentono risposte simili per quanto velocemente si sta espandendo l'universo e quanto di esso sia fatto di materia. Puoi vedere che quasi tutte le forme sulla trama passano attraverso quel cerchio.
Ma la misurazione più diretta, basata sullo studio effettivo di quanto siano lontane le cose nel nostro universo locale e di quanto velocemente si muovano, non è d'accordo. La misura Cepheid è molto più a destra, e nemmeno le sue barre di errore (i deboli bit gialli, che indicano l'intervallo dei valori probabili) passano attraverso il cerchio tratteggiato. E questo è un problema.
"C'è stata molta attività in questo settore solo negli ultimi mesi", ha detto Risa Wechsler, un cosmologo dell'Università di Stanford che non è stato coinvolto in questo documento. "Quindi è davvero bello vedere tutto sommato. Inquadrarlo in termini di H0 e Ωm, che sono parametri fondamentali, è davvero chiarente."
Tuttavia, Wechsler ha detto a Live Science, è importante non saltare a nessuna conclusione.
"Le persone sono entusiaste di questo perché potrebbe significare che c'è nuova fisica e sarebbe davvero eccitante", ha detto.
È possibile che il modello CMB sia sbagliato in qualche modo, e questo sta portando a una sorta di errore sistematico nel modo in cui i fisici comprendono l'universo.
"Tutti lo adorerebbero. I fisici adorano rompere i loro modelli", ha detto Wechsler. "Ma questo modello funziona abbastanza bene finora, quindi il mio precedente è che ci devono essere prove abbastanza forti per convincermi."
Lo studio dimostra che sarebbe difficile abbinare la misurazione di Cepheid dall'universo locale con tutti gli altri introducendo solo un nuovo pezzo di fisica, ha detto Mack.
È possibile, disse Mack, che il calcolo delle supernova-cefeide sia semplicemente sbagliato. Forse i fisici stanno misurando le distanze nel nostro universo locale in modo sbagliato, e questo sta portando a un errore di calcolo. È difficile immaginare quale sarebbe questo errore di calcolo, tuttavia, ha detto. Molti astrofisici hanno misurato le distanze locali da zero e hanno ottenuto risultati simili. Una possibilità sollevata dagli autori è solo che viviamo in uno strano pezzo dell'universo dove ci sono meno galassie e meno gravità, quindi il nostro vicinato si sta espandendo più velocemente dell'universo nel suo insieme.
La risposta al problema, ha detto, potrebbe essere proprio dietro l'angolo. Ma più probabilmente ci vorranno anni o decenni.
"O è qualcosa di nuovo nell'universo o è qualcosa che non capiamo delle nostre misurazioni", ha detto.
Wechsler ha detto che avrebbe scommesso su quest'ultimo - che probabilmente c'è qualcosa di non giusto nelle barre di errore attorno ad alcune delle misurazioni coinvolte e che una volta risolte le cose, il quadro si adatterà meglio.
Le prossime misurazioni potrebbero chiarire la contraddizione: spiegarla o aumentarla, suggerendo che è necessario un nuovo campo della fisica. Il Large Synoptic Survey Telescope, che dovrebbe essere online nel 2020, dovrebbe trovare centinaia di milioni di supernova, che dovrebbero migliorare notevolmente i set di dati che gli astrofisici stanno usando per misurare le distanze tra le galassie. Alla fine, disse Mack, gli studi sulle onde gravitazionali diventeranno abbastanza buoni da limitare anche l'espansione dell'universo, il che dovrebbe aggiungere un altro livello di precisione alla cosmologia. Lungo la strada, ha detto, i fisici potrebbero persino sviluppare strumenti abbastanza sensibili da vedere gli oggetti espandersi l'uno dall'altro in tempo reale.
Ma per il momento i cosmologi stanno ancora aspettando e chiedendosi perché le loro misurazioni dell'universo non abbiano senso insieme.
