

Un articolo pubblicato sulla rivista “Nature Astronomy” riporta l’utilizzo di osservazioni della fusione tra due stelle di neutroni registrata il 17 agosto 2017 per cercare di calcolare il valore della costante di Hubble, che misura la velocità di espansione dell’universo. Quell’evento è il più celebre tra quelli registrati finora alle onde gravitazionali per l’importanza che ha avuto per la cosiddetta astronomia multimessaggero ma si è già rivelato utile anche per offrire un ulteriore modo per misurare l’espansione dell’universo che è alternativo a due che stanno fornendo risultati discrepanti.

La velocità di espansione dell’universo è chiamata anche costante di Hubble in onore di Edwin Hubble, l’astronomo che fornì le prime prove dell’espansione dell’universo. Quella che è stata definita una tensione nel campo dell’astrofisica è data dalla discrepanza tra le misurazioni effettuate utilizzando quelle che sono chiamate candele standard, stelle variabili chiamate variabili cefeidi che hanno una correlazione molto stretta tra il loro periodo di variabilità e la loro luminosità assoluta, e quelle effetuate studiando l’universo primordiale con la sonda spaziale Planck Surveyor. Un’alternativa alle cefeidi sono le supernove ma il loro impiego non ha cambiato i termini del problema.

Già in un articolo pubblicato sulla rivista “Physical Review Letters” nel febbraio 2019 un team di ricercatori aveva proposto di utilizzare le onde gravitazionali generate da fusioni di stelle di neutroni per calcolare la velocità di espansione dell’universo. Il problema era che secondo loro sarebbero necessarie 50 di quegli eventi per ottenere dati sulle loro onde gravitazionali sufficienti a ottenere quel risultato. Ora però un altro team guidato da Kenta Hotokezaka dell’Università di Princeton ha offerto una prima stima della costante di Hubble basata sull’evento registrato il 17 agosto 2017 e catalogato come GW170817 stimando che altri 15 eventi di quel tipo con osservazioni di una completezza paragonabile al primo potrebbero risolvere il problema.

La qualità dei dati raccolti è la chiave per risolvere il problema causato dalla discrepanza tra i risultati dei due metodi usati finora per misurare la velocità di espansione dell’universo. L’evento GW170817 fu straordinario perché fu la prima fusione tra due stelle di neutroni scoperta, confermò il concetto allora teorico di kilonova e venne osservato anche a molte lunghezze d’onda elettromagnetiche.

Le rilevazioni di onde radio permisero di studiare il getto relativistico successivo alla kilonova con ulteriori informazioni riportate in un articolo pubblicato sulla rivista “Science” nel marzo 2019. Le informazioni ottenute grazie a questi studi hanno permesso al team di Kenta Hotokezaka di fare un notevole passo avanti nella stima della velocità di espansione dell’universo basata su quell’evento.

Usando solo i dati delle onde gravitazionali, il team aveva stimato la costante di Hubble tra 66 e 90 km/s per megaparsec con un picco di probabilità a 74, quindi una stima piuttosto rozza con notevoli margini di errore. Usando anche i dati delle rilevazioni delle onde radio con le informazioni sull’orientamento della coppia di stelle di neutroni coinvolte nell’evento GW170817 la velocità è stata stimata tra 65,3 a 75,6 km/s per megaparsec con un picco di probabilità a 70,3.

L’immagine (Cortesia K. Hotokezaka et al., Nature Astronomy (2019). Tutti i diritti riservati) mostra la distribuzione della costante di Hubble (H0) ottenibile dall’osservazione di fusioni di stelle di neutroni con i soli dati delle onde gravitazionali (in arancione) o con la combinazione dei dati delle onde gravitazionali ed elettromagnetiche (in blu). Le barre verticali indicano gli intervalli dei valori stimati usando i dati della sonda spaziale Planck Surveyor (in verde) e supernove (rosa salmone).

Anche la nuova stima è poco precisa con margini di errore ancora ampi ma la combinazione delle informazioni delle onde gravitazionali ed elettromagnetiche ha già migliorato notevolmente il risultato. Ciò spiega l’ottimismo del team di Kenta Hotokezaka riguardo al numero di eventi necessari per risolvere il problema.

Gli esperimenti LIGO e VIRGO hanno cominciato una nuova stagione di attività scientifica il 4 marzo 2019 e ora i candidati eventi di onde gravitazionali vengono resi pubblici su Internet con molta rapidità. Ormai mediamente ogni settimana viene scoperto un nuovo evento ma generalmente si tratta di fusioni tra buchi neri: solo quello del 25 aprile sembra una nuova fusione tra due stelle di neutroni e quello del 26 aprile potrebbe essere una fusione tra una stella di neutroni e un buco nero. In ogni caso, non sono state osservate onde elettromagnetiche provenienti da quegli eventi perciò non sono utili per migliorare la nuova stima della costante di Hubble.

In sostanza, ci potrebbero volere anni per misurare la velocità di espansione dell’universo usando questo nuovo metodo con una precisione sufficiente ad aiutare a capire quale sia il valore corretto e il motivo della discrepanza. L’evento GW170817 era relativamente vicino, a circa 130 milioni di anni luce di distanza, e ciò rese più facili le rilevazioni delle emissioni elettromagnetiche. Ci saranno sicuramente progressi perché l’astronomia delle onde gravitazionali è appena all’inizio e i risultati aiuteranno a capire meglio alcuni fenomeni estremi e forse anche la forza di gravità e alcune caratteristiche fondamentali dell’universo.