L’impressione dell’artista dell’esplosione e dello scoppio delle onde gravitazionali emesse quando una coppia di stelle di neutroni superdensi si scontrano. Nuove osservazioni con radiotelescopi mostrano che tali eventi possono essere utilizzati per misurare il tasso di espansione dell’Universo. Credit: NRAO/AUI / NSF

Quanto è veloce l’universo in espansione? Non lo sappiamo per certo.

Gli astronomi studiano l’espansione cosmica misurando la costante di Hubble. Hanno misurato questa costante in diversi modi, ma alcuni dei loro risultati non sono d’accordo tra loro. Questo disaccordo, o tensione, nella costante di Hubble è una controversia crescente in astronomia. Ma nuove osservazioni di stelle di neutroni in collisione potrebbero fornire una soluzione.

Unisciti alla nostra ospite Melissa Hoffman del National Radio Astronomy Observatory mentre spiega come gli astronomi stanno usando la radioastronomia e le onde gravitazionali per rispondere a questo mistero cosmico.

Gli astronomi che utilizzano radiotelescopi della National Science Foundation (NSF) hanno dimostrato come una combinazione di onde gravitazionali e osservazioni radio, insieme a modelli teorici, possa trasformare le fusioni di coppie di stelle di neutroni in un “righello cosmico” in grado di misurare l’espansione dell’Universo e risolvere una questione in sospeso sulla sua velocità.

Gli astronomi hanno usato il Very Long Baseline Array (VLBA) del NSF, il Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) e il Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) per studiare le conseguenze della collisione di due stelle di neutroni che hanno prodotto onde gravitazionali rilevate nel 2017. Questo evento ha offerto un nuovo modo per misurare il tasso di espansione dell’Universo, noto dagli scienziati come la Costante di Hubble. Il tasso di espansione dell’Universo può essere utilizzato per determinare la sua dimensione ed età, oltre a servire come strumento essenziale per interpretare le osservazioni di oggetti altrove nell’Universo.

osservazioni Radio di un getto di materiale espulso a seguito di neutroni, stelle fusione erano la chiave che permette agli astronomi di determinare l’orientamento del piano orbitale delle stelle, prima della loro fusione, e quindi la “luminosità” delle onde gravitazionali emesse in direzione della Terra. Ciò può rendere tali eventi un nuovo importante strumento per misurare il tasso di espansione dell’Universo. Credito: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Due metodi principali per determinare la Costante di Hubble utilizzano le caratteristiche del Fondo cosmico a microonde, la radiazione residua dal Big Bang, o un tipo specifico di esplosioni di supernova, chiamato Tipo Ia, nell’Universo lontano. Tuttavia, questi due metodi danno risultati diversi.

“La fusione di stelle di neutroni ci offre un nuovo modo di misurare la Costante di Hubble e, auspicabilmente, di risolvere il problema”, ha affermato Kunal Mooley, del National Radio Astronomy Observatory (NRAO) e del Caltech.

La tecnica è simile a quella delle esplosioni di supernova. Si pensa che le esplosioni di supernova di tipo Ia abbiano tutte una luminosità intrinseca che può essere calcolata in base alla velocità con cui si illuminano e poi svaniscono. Misurare la luminosità vista dalla Terra indica quindi la distanza dall’esplosione della supernova. Misurare lo spostamento Doppler della luce dalla galassia ospite della supernova indica la velocità alla quale la galassia si sta allontanando dalla Terra. La velocità divisa per la distanza produce la Costante di Hubble. Per ottenere una figura accurata, molte di queste misurazioni devono essere effettuate a distanze diverse.

Quando due massicce stelle di neutroni si scontrano, producono un’esplosione e una raffica di onde gravitazionali. La forma del segnale dell’onda gravitazionale dice agli scienziati quanto fosse “brillante” quella raffica di onde gravitazionali. Misurare la “luminosità” o l’intensità delle onde gravitazionali ricevute sulla Terra può produrre la distanza.

“Questo è un mezzo di misurazione completamente indipendente che speriamo possa chiarire quale sia il vero valore della Costante di Hubble”, ha detto Mooley.

Tuttavia, c’è una svolta. L’intensità delle onde gravitazionali varia con il loro orientamento rispetto al piano orbitale delle due stelle di neutroni. Le onde gravitazionali sono più forti nella direzione perpendicolare al piano orbitale, e più deboli se il piano orbitale è edge-on come visto dalla Terra.

“Al fine di utilizzare le onde gravitazionali per misurare la distanza, avevamo bisogno di sapere che l’orientamento,” ha detto Adam Deller, della Swinburne University of Technology in Australia.

Per un periodo di mesi, gli astronomi hanno usato i radiotelescopi per misurare il movimento di un getto superveloce di materiale espulso dall’esplosione. “Abbiamo usato queste misurazioni insieme a simulazioni idrodinamiche dettagliate per determinare l’angolo di orientamento, consentendo così l’uso delle onde gravitazionali per determinare la distanza”, ha detto Ehud Nakar dell’Università di Tel Aviv.

Questa singola misurazione, di un evento a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, non è ancora sufficiente per risolvere l’incertezza, hanno detto gli scienziati, ma la tecnica ora può essere applicata a future fusioni di stelle di neutroni rilevate con onde gravitazionali.

“Pensiamo che altri 15 eventi del genere che possono essere osservati sia con le onde gravitazionali che in grande dettaglio con i radiotelescopi, possano essere in grado di risolvere il problema”, ha detto Kenta Hotokezaka, dell’Università di Princeton. ” Questo sarebbe un importante progresso nella nostra comprensione di uno degli aspetti più importanti dell’Universo”, ha aggiunto.

Il team scientifico internazionale guidato da Hotokezaka sta riportando i suoi risultati sulla rivista Nature Astronomy.

Riferimento: “A Hubble constant measurement from superluminal motion of the jet in GW170817” di K. Hotokezaka, E. Nakar, O. Gottlieb, S. Nissanke, K. Masuda, G. Hallinan, K. P. Mooley and A. T. Deller, 8 July 2019, Nature Astronomy.
DOI: 10 .1038 / s41550-019-0820-1

Il National Radio Astronomy Observatory è una struttura della National Science Foundation, operata sotto accordo di cooperazione da Associated Universities, Inc.