29 Gen 2019 L’Espansione del Cosmo Rivelata dai Quasar
Un team di astronomi si è proposto l’ambizioso obiettivo di indagare sull’espansione dell’Universo fin dall’alba dei tempi, utilizzando un vasto campione di galassie attive distanti, osservate dal satellite XMM-Newton dell’ESA. I risultati suggeriscono difformità rispetto al modello standard della cosmologia.
Secondo le teorie più accreditate, l’Universo contiene appena una piccola percentuale di materia ordinaria, mentre un quarto del cosmo è composto da inafferrabile materia oscura, e il resto consiste nell’ancora più enigmatica energia oscura, che si ritiene guidi l’attuale espansione accelerata dell’Universo. Il modello utilizzato dagli scienziati si basa su una gran quantità di dati, raccolti negli ultimi due decenni, riguardanti sia il fondo cosmico a microonde, la “luce fossile” risalente a soli 380.000 anni dopo il Big Bang, sia osservazioni più “locali”, come esplosioni di supernova, ammassi di galassie e la distorsione gravitazionale impressa dalla materia oscura su galassie distanti, fattori che possono essere utilizzati per mappare l’espansione del cosmo negli ultimi 9 miliardi di anni.
Un nuovo studio, guidato da Guido Risaliti dell’Università di Firenze e da Elisabeta Lusso della Durham University, si è rivolto a un altro tipo di oggetti, i quasar, in grado di riempire la lacuna temporale tra i metodi usuali, misurando l’espansione fino a 12 miliardi di anni fa. I quasar sono nuclei di galassie, in cui un buco nero supermassiccio attivo divora voracemente materia a tassi molto elevati. Quando il materiale ricade nel buco nero, forma un disco di accrescimento che irradia nel visibile e nell’ultravioletto, riscaldando la materia circostante e generando inoltre radiazione X.
Tre anni fa i ricercatori hanno capito che una ben nota relazione tra la luminosità dei quasar nell’ultravioletto e nei raggi X poteva essere utilizzata per stimare la distanza fino alle sorgenti, e quindi per sondare l’espansione del cosmo nel corso della sua storia. Le sorgenti utilizzabili per misurare le distanze astronomiche vengono spesso definite “candele standard”. La classe di marcatori di distanza più famosa include le supernove di tipo Ia, che si formano quando esplode una nana bianca dopo aver sottratto materia a una stella compagna. Le osservazioni di queste supernove hanno fornito una stima dell’espansione accelerata del cosmo negli ultimi otto-nove miliardi di anni.
“Utilizzare i quasar come candele standard ha un grande potenziale, dal momento che possiamo osservarli fino a distanze molto più elevate rispetto alle supernove di tipo Ia, e possiamo quindi utilizzarli per sondare epoche molto più antiche nella storia del cosmo”, spiega Elisabeta. Grazie a un vasto campione di quasar, gli astronomi hanno messo in pratica il loro metodo, e i risultati sono davvero intriganti. Utilizzando l’archivio di XMM-Newton, il team ha raccolto dati nei raggi X per oltre 7.000 quasar, combinandoli con osservazioni nell’ultravioletto della Sloan Digital Sky Survey. I ricercatori hanno inoltre utilizzato un nuovo set di dati, ottenuti con XMM-Newton nel 2017 per osservare quasar molto distanti, risalenti a quando l’Universo aveva appena due miliardi di anni. Infine, hanno completato i dati con un piccolo numero di quasar ancora più distanti e con alcuni relativamente vicini, individuati utilizzando gli osservatori Chandra e Swift della NASA.
“È davvero straordinario poter discernere con un tale livello di dettaglio sorgenti talmente distanti da noi che la loro luce ha viaggiato per oltre 10 miliardi di anni prima di raggiungerci”, afferma Norbert Schartel, project scientist di XMM-Newton. Il team, dopo aver analizzato i dati, ha ridotto il campione a circa 1600 quasar, rimanendo con le osservazioni di più elevata qualità. “Quando abbiamo combinato il campione di quasar, che riguarda quasi 12 miliardi di anni di storia del cosmo, con i campioni di supernove di tipo Ia, più vicini a noi e riguardanti gli scorsi 8 miliardi di anni, abbiamo scoperto risultati simili nelle epoche che siamo in grado di sovrapporre”, spiega Elisabeta.
“Ma, nelle epoche più antiche, che possiamo sondare solo utilizzando i quasar, abbiamo scoperto una difformità tra l’evoluzione osservata del cosmo e quella prevista sulla base del modello cosmologico standard”. Gli astronomi, infatti, hanno individuato una possibile contraddizione rispetto al modello standard, una discrepanza che potrebbe richiedere l’aggiunta di parametri extra per riconciliare i dati con la teoria. “Una delle soluzioni possibili potrebbe essere considerare un’energia oscura in evoluzione, con densità che cresce nel tempo”, aggiunge Guido.
Questo tipo di modello potrebbe risolvere un’altra questione che preoccupa da tempo gli astronomi, riguardante la Costante di Hubble, il parametro che definisce il tasso di espansione del cosmo. Il problema è che i due metodi principali per misurare questo valore fondamentale forniscono risultati incompatibili. Un metodo è diretto, basato su marcatori di distanza locali, come le supernove di tipo Ia e le cefeidi. L’altro metodo utilizza il fondo cosmico a microonde, per cui si basa sulla realtà dell’Universo primordiale. Sembra che le previsioni basate sui dati di Plank, risalenti a 380.000 anni dopo il Big Bang, non siano concordi con le ultime misurazioni relative al vicino Universo, e la discordanza è diventata una vera e propria incompatibilità tra le nostre visioni del giovane Universo e di quello attuale. “Il nostro modello è piuttosto interessante perché potrebbe risolvere due misteri in una volta, ma la questione non è ancora chiara, e dovremo sviluppare molti altri modelli in gran dettaglio prima di poter risolvere questo mistero cosmico”, conclude Guido.
[ Barbara ]
Nell’immagine rappresentazione artistica di un quasar
Illustration: NASA/CXC/M.Weiss
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