Il James Webb Space Telescope (JWST)

La mattina di Natale del 2021, gli astronomi hanno visto il loro nuovo e più grande strumento essere lanciato con successo nello spazio. Ora il James Webb Space Telescope (JWST) è arrivato alla sua destinazione nello spazio profondo, un luogo tranquillo a 1,5 milioni di chilometri oltre la Terra.

Massimo Stiavelli dirige l’Ufficio Missione JWST presso l’istituto che dedica tempo alla ricerca sul telescopio. Secondo Stiavelli, “ogni area della scienza è coperta” nelle proposte approvate dal suo gruppo, dalla ricerca di esopianeti potenzialmente abitabili allo studio delle prime stelle. Eppure è particolarmente fiducioso che JWST possa aiutare a risolvere una delle più grandi controversie nell’astronomia moderna: la disputa sul tasso di espansione dell’universo.

Due valori per l’espansione

La misurazione del tasso di espansione dell’universo, noto come costante di Hubble, attualmente si raggruppano attorno a due cifre: 67 e 73. Ogni numero è un’espressione della stessa cosa: il tasso di espansione cosmica chilometri al secondo per ogni megaparsec (circa 3,26 milioni anni luce) di spazio. Sebbene apparentemente lieve, la differenza tra queste cifre è enorme rispetto all’accordo di alta precisione che esiste per altre misurazioni cosmologiche. In poche parole, qualcosa non torna.

I ricercatori non sono sicuri di come spiegare questa discrepanza, che chiamano tensione di Hubble . Potrebbe essere solo un errore risultante dai diversi modi in cui viene misurata la costante di Hubble. Altrimenti, la tensione potrebbe creare problemi per la nostra attuale comprensione della fisica, costringendo i teorici a rivisitare (e forse anche scartare) alcuni dei loro modelli più cari.

Come si misura l’espansione

“La ricerca per misurare il tasso di espansione risale a circa 100 anni fa”, afferma Adam Riess , astrofisico della Johns Hopkins University. Gli scienziati che prendono parte a questa ricerca si dividono in due campi principali.

Il primo campo raccoglie dati dall’universo primordiale. Questi ricercatori fanno affidamento sul fondo cosmico a microonde, un bagliore residuo di radiazione di circa 400.000 anni dopo il big bang. Prendendo misurazioni dal fondo cosmico a microonde ed estrapolandole nel presente utilizzando i nostri migliori modelli fisici, gli astronomi in questo campo possono raggiungere una stima del tasso di espansione dell’universo oggi. I loro calcoli indicano che la costante di Hubble è di circa 67.

Tuttavia Riess dice che JWST non migliorerà misurazioni di questo tipo. Le microonde dell’universo primordiale hanno lunghezze d’onda troppo lunghe per essere rilevate da JWST, che si concentra sulla luce infrarossa. Invece JWST ha il potenziale per migliorare i risultati dell’altro campo (di cui Riess è un membro di spicco): le misurazioni locali.

“Locale” è un termine relativo. Qui, si riferisce alle misurazioni della costante di Hubble che dipendono dal calcolo delle distanze di stelle e galassie, che potrebbero essere “solo” milioni di anni luce di distanza. “Misurare le distanze è ciò di cui hai bisogno per misurare la costante di Hubble perché la costante di Hubble è il modo in cui le distanze cambiano nel tempo”, afferma Treu.

Misurare le distanze nel cosmo

Gli astronomi hanno trovato alcuni modi per misurare tali distanze celesti. La maggior parte di loro si basa su “candele standard”, oggetti astronomici di luminosità nota. Confrontando la luminosità intrinseca effettiva di un tale oggetto con la sua luminosità apparente attraverso un telescopio, gli osservatori possono determinare in modo affidabile la sua distanza dalla Terra.

Wendy Freedman , un’astronoma dell’Università di Chicago, usa una certa classe di stelle giganti rosse come sua candela standard preferita. “La fisica [di queste stelle] porta a questa luminosità standard”, che le rende perfetti indicatori di distanza, spiega Freedman. Usando il telescopio spaziale Hubble per osservare queste giganti rosse, il team di Freedman è arrivato a una stima per la costante di Hubble nel 2019: circa 70.

Siamo nella fascia bassa delle stime locali. (In effetti, è fastidiosamente a metà strada tra i valori standard abbracciati da ciascun campo.) Secondo Riess, il cui lavoro con candele standard utilizza supernove e stelle variabili Cefeidi invece di giganti rosse, la maggior parte degli studi locali ha prodotto valori leggermente più alti per la costante di Hubble —alcuni fino a 75, con una media di circa 73.

Si tratta di un intervallo molto più ampio rispetto alle misurazioni del primo campo dell’universo. Allo stesso modo, gli studi locali tendono ad avere “barre di errore” (o incertezze) maggiori rispetto agli studi che utilizzano i dati del primo universo.

È qui che JWST può aiutare. Osservando nello spettro infrarosso, sarà in grado di guardare direttamente attraverso fastidiose nuvole di polvere spaziale che troppo spesso interferiscono con le misurazioni degli astronomi locali. Il telescopio spaziale Hubble, il precedente strumento preferito dagli astronomi locali, ha capacità a infrarossi molto più modeste; le sue misurazioni a infrarossi vanno a scapito di una qualità dell’immagine inferiore. Come spiega Riess, JWST può fare entrambe le cose: osservare a infrarossi e mantenere immagini ad alta risoluzione.

JWST è un tale miglioramento tecnologico che, piuttosto che alterare i loro metodi, molti astronomi stanno pianificando di replicare attentamente le loro ricerche precedenti per vedere se i risultati cambiano. Sia Riess che Freedman hanno avuto tempo di ricerca su JWST per fare proprio questo.

Non è chiaro se i loro risultati cambieranno o meno . È possibile che i dati del JWST possano portare gli studi locali a raggrupparsi attorno a una stima per la costante di Hubble bassa quanto quella del campo del primo universo. Ma ciò sembra molto improbabile: Riess sottolinea che praticamente nessuno studio locale ha prodotto un risultato così basso, così come nessuno studio del primo universo ha prodotto un risultato alto come 73.

Quindi cosa significherebbe se gli studi locali si raggruppassero di nuovo intorno al 73, ma questa volta con una precisione ancora maggiore? Secondo Treu, ciò implicherebbe che la tensione di Hubble sia una vera discrepanza e non solo il risultato di un errore di studio.

Se è così, aggiunge Treu, ciò probabilmente indicherebbe qualcosa di fondamentalmente assente nella nostra comprensione della fisica. Poiché gli studi sui primi universi si basano su modelli fisici per estrapolare i loro dati primordiali nel presente, la fisica mancante potrebbe essere la ragione per cui quegli studi stanno producendo una cifra a partire da 67.

Una fisica che non conosciamo?

Che tipo di fisica mancante? “Potrebbe essere un altro neutrino”, dice Riess. “Potrebbe essere un primo episodio di energia oscura. Potrebbe essere materia oscura in decomposizione. Potrebbero essere campi magnetici primordiali. Tutti questi sono stati suggeriti come cose che aiuterebbero a mitigare o spiegare questo “. Ma Riess sottolinea che nessuno di questi ha “una forte seconda linea di prova” oltre al fatto che potrebbero aiutare a spiegare la tensione di Hubble.

Allo stesso modo, Freedman osserva che la maggior parte di queste idee finisce per “distruggere” altre parti concordate della fisica da qualche parte lungo la linea. “Si rivela davvero difficile da risolvere, il che non vuol dire che qualcuno non avrà un’idea brillante a un certo punto”, afferma Freedman.

Potrebbe esserci un buco nella fisica. Non vi è alcuna garanzia che JWST ci aiuterà a capire come riempirlo. Ma fornendo una visione più approfondita della tensione di Hubble, JWST può almeno aiutare a confermare che il buco è davvero lì.

Daniel Leonard/Scientific American