I fisici hanno identificato un metodo potenzialmente rivoluzionario per misurare il tasso di espansione dell’universo, un enigma cosmologico di vecchia data, utilizzando le sottili increspature dello spaziotempo note come onde gravitazionali. Il nuovo approccio sfrutta il segnale collettivo proveniente da innumerevoli buchi neri che si fondono nel cosmo – un debole “ronzio” di gravità – per valutare in modo indipendente la velocità con cui lo spazio si sta allungando. Anche senza rilevare direttamente questo background, i ricercatori hanno già utilizzato i dati attuali per perfezionare i vincoli sulla costante di Hubble, il valore che rappresenta la velocità di espansione dell’universo.
La tensione di Hubble: un problema fondamentale in cosmologia
Il tasso di espansione dell’universo è una quantità fondamentale, ma il suo valore preciso è diventato uno dei principali punti di contesa. Le misurazioni derivate dalle osservazioni dell’universo primordiale (come il fondo cosmico a microonde, il bagliore residuo del Big Bang) sono sistematicamente in disaccordo con quelle degli oggetti vicini (come le supernove). Questa discrepanza, soprannominata tensione di Hubble, è statisticamente significativa, suggerendo errori non identificati nei metodi esistenti o la necessità di una fisica fondamentalmente nuova.
Come spiega Chiara Mingarelli, fisica di Yale, “le misurazioni del tasso di espansione dell’Universo primo e dell’Universo tardo non sono d’accordo su oltre 5 sigma… O c’è un errore sistematico non identificato o una nuova fisica.” L’incapacità di conciliare questi valori solleva questioni cruciali sulla nostra comprensione dell’energia oscura, della materia oscura e della struttura complessiva dell’universo.
Utilizzo delle fusioni di buchi neri come governanti cosmici
Il nuovo studio, accettato per la pubblicazione su Physical Review Letters, propone un nuovo metodo basato interamente sulle onde gravitazionali. Dal 2015, osservatori come LIGO e Virgo hanno rilevato dozzine di fusioni di buchi neri, ciascun evento fornendo informazioni sulle masse e le distanze dei corpi in collisione. Analizzando la velocità con cui queste fusioni avvengono nell’universo, gli scienziati possono dedurre le proprietà del fondo delle onde gravitazionali, il segnale combinato di eventi troppo distanti per essere risolti individualmente.
Secondo l’autore principale Bryce Cousins, “Poiché stiamo osservando le singole collisioni di buchi neri, possiamo determinare la velocità di tali collisioni che si verificano nell’universo”. La forza complessiva di questo segnale di fondo dipende direttamente dal tasso di espansione; un’espansione più lenta implica volumi più grandi e più fusioni, il che si traduce in un background più forte.
Implicazioni e prospettive future
Il gruppo di ricerca ha dimostrato che l’attuale mancato rilevamento del fondo delle onde gravitazionali esclude già alcuni valori più bassi della costante di Hubble. Sebbene i vincoli attuali siano ancora ampi, questo metodo stabilisce un nuovo quadro indipendente per l’inferenza cosmologica. Questo approccio integra le tecniche esistenti della “sirena standard” (utilizzando singoli eventi di onde gravitazionali come indicatori di distanza) sfruttando l’intera popolazione irrisolta delle collisioni di buchi neri.
Il professore dell’Università di Chicago Daniel Holz ne sottolinea l’importanza: “Non capita tutti i giorni di inventare uno strumento completamente nuovo per la cosmologia”. Gli aggiornamenti pianificati per i rilevatori di onde gravitazionali dovrebbero consentire il rilevamento diretto del fondo entro pochi anni, trasformandolo da un limite inferiore in una misurazione precisa.
In definitiva, questo metodo stocastico della sirena potrebbe diventare un nuovo potente strumento per sondare la storia dell’espansione dell’universo e determinare se la tensione di Hubble rappresenta un difetto fondamentale nei nostri modelli o semplicemente errori sistematici nascosti.
Questa nuova tecnica offre un controllo indipendente e fondamentale sulle misurazioni cosmologiche esistenti e potrebbe, in definitiva, aiutare a risolvere uno dei misteri più urgenti della fisica moderna.
