Velocità dell’espansione dell’universo misurabile con collisioni di buchi neri?

Credito: DALL-E di OpenAI (immagine realizzata da intelligenza artificiale)

L’enigmatico tasso di espansione dell’universo, che ha portato spesso a calcoli con risultati differenti, potrebbe essere misurato utilizzando le collisioni di buchi neri. Se ne parla in un nuovo articolo pubblicato sul sito dell’Università di Chicago che descrive il metodo della “sirena spettrale” per comprendere uno dei principali tratti della stessa evoluzione dell’universo.

L’enigmatica velocità dell’espansione dell’universo

La velocità con la quale l’universo si sta espandendo, trasfigurata anche nella cosiddetta “costante di Hubble”, sta arrovellando elementi di cosmologi e scienziati vari ormai da diversi anni. La confusione è ulteriormente aumentata da quando, alla fine degli anni 90 del secolo scorso, gli stessi scienziati hanno scoperto che questa espansione sta accelerando. I metodi messi sul tavolo per calcolare questo tasso di espansione sono diversi e diverse sono le risposte che hanno dato nel corso del tempo. Non si tratta di una curiosità: calcolare con un certo livello di precisione la velocità dell’espansione dell’universo è fondamentale per capire la sua evoluzione, la sua età e la sua stessa composizione oltre che per tentare di prevedere il suo destino finale.

Collisione di due buchi neri

Il nuovo studio descrive un nuovo metodo per effettuare questo calcolo: utilizzare i particolari rivelatori che oggi già si usano per intercettare le onde gravitazionali emanate dalle collisioni di buchi neri. La collisione di due buchi neri è uno degli eventi più potenti dell’universo. Non accade tutti i giorni ma quando accade si crea una forte increspatura dello spazio-tempo intorno al punto della collisione. Questa increspatura è rappresentata da onde gravitazionali che poi possono essere intercettare sulla Terra da interferometri come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che si trova negli Stati Uniti, oppure Virgo, che si trova in Italia. Con questi strumenti nel corso degli ultimi anni i ricercatori hanno individuato un centinaio di coppie di buchi neri in collisione.

Segnale delle onde gravitazionali viene alterato durante tragitto

Ma a cosa può essere utile la collisione di due buchi neri quando si cerca di calcolare la velocità dell’espansione dell’universo? Secondo i ricercatori le onde gravitazionali partire dalla collisione hanno comunque intrapreso un viaggio nello spazio ad una velocità finita (quella della luce) e durante il periodo del viaggio l’universo si è espanso. L’espansione dello spazio altera determinate caratteristiche del segnale. Se si potesse misurare questa alterazione, si potrebbe probabilmente calcolare il tasso di espansione dell’universo. Il problema è fondamentalmente uno: il segnale che intercettiamo è quello che è stato cambiato nel corso del suo viaggio. Come facciamo a capire quanto è rimasto alterato durante il tragitto?

Daniel Holz, astrofisico dell’Università di Chicago, e Jose María Ezquiaga, il primo autore dello studio, suggeriscono di usare i dati che già abbiamo sui molti buchi neri che abbiamo scoperto, in particolare i dati riguardanti le loro masse. Per esempio le prove che i ricercatori hanno raccolto fino ad ora suggeriscono fortemente che gran parte dei buchi neri ha una massa compresa tra 5 volte e 40 volte la massa del Sole: “Misuriamo le masse dei buchi neri vicini e comprendiamo le loro caratteristiche, quindi guardiamo più lontano e vediamo quanto sembrano essersi spostati (il ricercatore usa il termine “shifted” ad intendere lo spostamento delle righe spettrali, n.d.r.) quelli più lontani”, spiega Ezquiaga. In questo modo si può avere una misurazione, più o meno accurata, del tasso di espansione dell’universo. Lo hanno denominato “metodo della sirena spettrale” perché è un approccio che richiama quello della “candela standard”, spesso usato in astronomia.

L’universo nella fase “adolescenziale”

Con i miglioramenti futuri degli interferometri, questo metodo potrebbe rivelarsi utile anche per studiare “l’adolescenza” dell’universo, un periodo abbastanza misterioso per gli astronomi intercorso all’incirca 10 miliardi di anni fa. Paradossalmente abbiamo diverse informazioni sull’universo primordiale, quello dopo il Big Bang, ma non su quello “adolescenziale”. Eppure è un periodo molto importante, spiega Ezquiaga, perché proprio durante quel periodo l’energia oscura ha preso il sopravvento ed è diventata la principale forza dell’universo.

Note e approfondimenti

  1. Phys. Rev. Lett. 129, 061102 (2022) – Spectral Sirens: Cosmology from the Full Mass Distribution of Compact Binaries (DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061102)

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