Negli anni '20 tra gli scienziati infuriava il dibattito sulle dimensioni dell'Universo e sulla natura delle nebulose. Alcuni di quelli
Lo scienziato ha calcolato la distanza dalla nebulosaAndromeda e ha mostrato che è più grande delle dimensioni della Via Lattea, il che significa che stiamo parlando di una galassia separata. E nel 1929, lo scienziato pubblicò un articolo in cui, sulla base delle osservazioni di diverse galassie conosciute, mostrò che si stanno allontanando dalla Terra in direzioni diverse. La regola che stabilisce la relazione tra la distanza di una galassia e la sua velocità radiale è chiamata legge di Hubble o legge di Hubble-Lemaitre.
Il sacerdote e astrofisico belga Georges Lemaitre è giunto alle stesse conclusioni due anni prima di Hubble, ma il suo articolo, pubblicato in francese e su una rivista impopolare, è passato inosservato.
Il moderno modello cosmologico si basa suprincipio dell'espansione dell'universo. Tuttavia, metodi di osservazione alternativi danno valori diversi per la sua velocità. Gli scienziati continuano a sviluppare nuovi modi per porre finalmente fine a questo problema. E poi, determina con precisione l'età, l'evoluzione e la composizione dell'universo.
Mappa dell'espansione dell'universo. Immagine: NASA, WMAP Science Team
L'universo si sta espandendo?
Non c'è una risposta esatta a questa domanda perchéè impossibile uscire dal sistema e vedere dall'esterno come accadono davvero le cose. Ma la teoria dell'universo in espansione descrive meglio le osservazioni.
In primo luogo, l'esplorazione dello spazio rivelaspostamento verso il rosso: si è scoperto che più gli oggetti sono lontani da noi, maggiore è la radiazione da loro, si sposta nella parte rossa dello spettro. Nel suo articolo, Hubble ha mostrato la relazione tra distanza e redshift. Inoltre, ha scoperto che la velocità degli oggetti che si allontanano è proporzionale alla loro distanza. Queste osservazioni sono meglio correlate con l'espansione metrica (lineare).
In secondo luogo, osservazioni cosmologiche su larga scalacon profonda risoluzione hanno scoperto che sebbene su scala locale l'Universo sia una struttura “grumosa” (le galassie formano gruppi separati da vuoti), a grandi distanze è omogeneo.
In terzo luogo, l'omogeneità dello spazio, causata dall'espansione dell'Universo in tutte le direzioni, conferma l'omogeneità della distribuzione dei lampi di raggi gamma distanti e delle esplosioni di supernova.
E infine, le osservazioni dello Spazio Europeogli osservatori mostrano che il CMB era molto più caldo in passato. Il graduale raffreddamento uniforme delle tracce del Big Bang è coerente anche con la teoria di un universo in espansione uniforme.
Come si misura la costante di Hubble?
Il valore della costante che impostala relazione tra la velocità di movimento delle galassie e la loro distanza viene stimata misurando lo spostamento verso il rosso di galassie distanti e quindi determinando le loro distanze con un metodo diverso dalla legge di Hubble.
Le prime misurazioni della costante furono effettuate dallo stesso EdwinHubble. Osservando la Nebulosa di Andromeda utilizzando il telescopio da 100 pollici (254 cm) dell'Osservatorio di Monte Wilson, lo scienziato ha identificato nella sua composizione singole stelle luminose. Tra loro c'erano le Cefeidi. Si tratta di una classe di variabili pulsanti di giganti e supergiganti gialle, per le quali la relazione tra il periodo di pulsazione e la luminosità è ben studiata.
Misurando entrambi i parametri, lo scienziato ha calcolatola distanza da queste stelle, così come il redshift delle galassie, che permette di determinarne la velocità radiale. Il coefficiente di proporzionalità ottenuto da Hubble era di circa 500 km/s per megaparsec (Mpc). Ciò significa che gli oggetti situati a una distanza di circa 3,26 milioni di anni luce (1 Mpc) dalla Terra dovrebbero allontanarsi da noi a una velocità di 500 km / s, 32,6 milioni di anni luce - 5.000 km / s e così via.
Un'immagine della galassia di Andromeda in cui EdwinHubble ha notato la stella variabile scoperta (a sinistra) e la sua immagine dettagliata di Hubble (a destra). Immagine a sinistra: Osservatori Carnegie. Immagine a destra: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Il valore ottenuto da Hubble è significativodifferisce dalle osservazioni moderne. Ciò è dovuto al fatto che lo scienziato non conosceva le leggi scoperte in seguito che influenzano la dipendenza del periodo e della luminosità delle Cefeidi, nonché l'influenza della velocità propria del gruppo locale di galassie.
Le osservazioni moderne danno contraddittoriorisultati. Le misurazioni del tardo Universo simili a quelle effettuate da Hubble, ma con dati più recenti e strumenti più potenti (incluso un telescopio spaziale intitolato allo scienziato), prevedono una costante cosmologica di 73 ± 1 km/s per Mpc. E i dati ottenuti nello studio della radiazione cosmica di fondo a microonde dell'Universo primordiale sono 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc.
Schema per misurare una costante utilizzando il telescopio Hubble. Immagine: NASA, ESA, A. Feild (STScI) e A. Riess (STScI/JHU)
Ci sono alternative?
In un articolo pubblicato ad agosto sulla rivistaPhysical Review Letters, scienziati dell'Università di Chicago propongono di utilizzare le onde gravitazionali generate quando i buchi neri si scontrano per misurare il tasso di espansione dell'universo.
Si verifica un effetto simile al redshiftdurante la propagazione delle onde gravitazionali. Collisione di buchi neri supermassicci, un evento potente. Provoca onde gravitazionali nello spazio-tempo che si diffondono come increspature sull'acqua da una pietra caduta.
Questa "ondulazione" è misurata sulla Terra dall'americanoosservatorio laser interferometrico delle onde gravitazionali (LIGO) e l'Osservatorio italiano Virgo. Per diversi anni, entrambi gli osservatori hanno raccolto dati sulla collisione di oltre 100 coppie di buchi neri.
Il segnale di ogni collisione contieneinformazioni su quanto fossero enormi i buchi neri. Ma a causa dell'espansione dell'universo, è distorto. Di conseguenza, un buco nero più lontano inizia ad apparire più massiccio.
Gli scienziati propongono di utilizzare i dati accumulatisui buchi neri per “calibrare” il dispositivo. Ad esempio, le prove attuali suggeriscono che la maggior parte dei buchi neri scoperti ha una massa compresa tra 5 e 40 volte la massa del nostro Sole.
I ricercatori credono che se si misurano le massecoppie di buchi neri in collisione più vicini a noi, per poi passare gradualmente, quindi su un gran numero di esempi è possibile stabilire quanto cambiano le masse di buchi neri “osservate” all'aumentare della distanza. È questo valore che determinerà il tasso di espansione dell'Universo.
Un'illustrazione della fusione di due buchi neri. Immagine: progetto di simulazione di eXtreme Spacetimes (SXS), Università di Chicago
Lo svantaggio dei metodi più modernil'osservazione dell'espansione dello spazio è che le singole cause che distorcono il risultato ottenuto potrebbero non essere ancora note. Hubble non conosceva tutti i fattori che influenzano la relazione tra luminosità e periodicità della pulsazione nelle Cefeidi, quindi le sue misurazioni contenevano errori. Inoltre, le idee moderne sull'Universo, sulla materia e sulla propagazione delle onde elettromagnetiche potrebbero essere incomplete.
A differenza delle osservazioni cosmologiche, il metodoproposto dagli scienziati di Chicago, utilizza solo la teoria della gravità, che è molto meglio compresa. Quindi, c'era la possibilità di porre fine alla questione del tasso di espansione dell'universo.
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