costante di Hubble

La costante di Hubble è il valore corrente del parametro Hubble $H$ . E 'la costante di proporzionalità esistente oggi tra la distanza e la velocità di apparente recessione delle galassie della dell'universo osservabile (il più lontano una galassia è dalla Terra, tanto più si allontana da esso rapidamente). Consente di chiarire la legge di Hubble-Lemaître che descrive l' espansione dell'Universo , nell'ambito del modello cosmologico del Big Bang , e di determinare l' attuale tasso di espansione dell'universo. $H_0$

Questo nome fu dato in onore dell'astronomo americano Edwin Hubble che fu il primo, nel 1929, a dimostrare chiaramente la proporzionalità di distanze e velocità, grazie alle sue osservazioni fatte all'Osservatorio di Mount Wilson. . Alcuni anni prima, Alexandre Friedmann nel 1922 e Georges Lemaître nel 1927 avevano da parte loro e indipendentemente costruito il modello teorico di un universo in espansione dalle equazioni della relatività generale , e dimostrato matematicamente la possibilità dell'esistenza di tale proporzionalità.

La costante di Hubble è solitamente espressa in km/s/Mpc , fornendo così la velocità in chilometri al secondo ( km/s ) di una galassia, in funzione della sua distanza in megaparsec (Mpc). Il suo valore osservativo è attualmente di circa 70 km/s/Mpc . Tuttavia, oggi ci sono un gran numero di misurazioni indipendenti di questo parametro che sono vicine ma incompatibili, queste differenze fino ad oggi non sono state spiegate.

Sebbene indicato come "costante", questo parametro cosmologico varia in funzione del tempo. Descrive quindi il tasso di espansione dell'universo in un dato momento.

Terminologia

A rigor di termini, va fatta una distinzione tra la costante di Hubble, il parametro di Hubble e il tasso di espansione.

La costante Hubble è il valore corrente del parametro Hubble.

Il tasso di espansione è l'espressione, in percentuale , del valore del parametro Hubble.

Valutazione

Di solito si nota la costante di Hubble , dove la lettera H è l'iniziale del patronimico di Edwin Hubble (la lettera H da sola è già molto usata in fisica, e l'indice zero è presente per indicare che è il valore attuale della costante di Hubble. $H_0$

Dimensioni e unità

La dimensione della costante di Hubble è quella dell'inverso di un tempo .

La sua unità SI è la seconda dopo la potenza negativa (s −1 ).

Tuttavia, è consuetudine esprimerlo in chilometri al secondo per megaparsec (km / s / Mpc o km⋅s −1 ⋅Mpc −1 ) nella forma seguente:

H_0 = 100 \, h \, \ mathrm {km \, s ^ ​​​​{- 1} \, Mpc ^ {- 1}}

dove è il tasso di espansione. $h$

Interpretazione della costante di Hubble

Significato intuitivo

Un valore di 70 km/s/ Mpc per la costante di Hubble significa che una galassia situata a 1 megaparsec (circa 3,26 milioni di anni luce ) dall'osservatore si sta allontanando a causa dell'espansione dell'universo (e quindi escludendo l'effetto di un oggetto proprio movimento , trascurabile a grandissima distanza) ad una velocità di circa 70 km/s . Una galassia situata a 10 Mpc si sta allontanando ad una velocità di 700 km/s , ecc.

Una conseguenza sorprendente a priori della legge di Hubble è che una galassia che si trovasse a più di 4000 Mpc (14 miliardi di anni luce) si allontanerebbe da noi a una velocità maggiore di quella della luce. Questo indica semplicemente che l'interpretazione in termini di movimento delle galassie nello spazio diventa impropria a grandi distanze. La relatività generale spiega che dobbiamo considerare che siamo in presenza di un'espansione dello spazio stesso.

Le differenze tra i vari valori sopra indicati per la costante di Hubble sono modeste; ma se questa differenza deriva da un'accelerazione dell'espansione dell'universo e non da approssimazioni di misura, può mettere in discussione il modello cosmologico del divenire dell'universo. Alle precedenti ipotesi di Big Bounce , Big Crunch e Big Chill si sarebbe poi aggiunta la possibilità di un Big Rip già considerato dall'astrofisico americano Robert Caldwell negli anni '90.

Formalizzazione

La scoperta sperimentale della relazione lineare tra il redshift e la distanza di un oggetto distante, associata a una relazione lineare a priori tra il tasso di recessione e il redshift, è formalizzata matematicamente come segue:

{\ stile di visualizzazione v = H_ {0} \, D}

$v$ è la velocità di recessione, tipicamente espressa in km/s.
$H_0$ è la costante di Hubble e corrisponde al valore del parametro di Hubble al tempo t, espresso in funzione del fattore di scala
$D$ è la distanza naturale (che può cambiare in funzione del tempo, a differenza della distanza in movimento che è costante) dall'oggetto distante all'osservatore, misurata in megaparsec (Mpc) dalla galassia dell'osservatore, nello spazio tridimensionale definito dal dato tempo cosmologico. La velocità della recessione è quindi semplicemente . $v$ ${\ displaystyle v = dD / dt}$

Misurare la costante di Hubble

Modifica dei valori utilizzati nel XX ° secolo

Il valore della costante di Hubble è stimato dalla misurazione di due parametri relativi a oggetti distanti. Innanzitutto, lo spostamento verso il rosso ( redshift ) ti consente di conoscere la velocità con cui le galassie lontane si stanno allontanando da noi (a lunga distanza si può trascurare il moto proprio). D'altra parte, misuriamo la distanza di queste galassie. Questa seconda misurazione è di difficile esecuzione, il che provoca grandi incertezze sul valore della costante di Hubble.

All'inizio della seconda metà del XX ° secolo , il valore della costante di Hubble è stato stimato tra 50 e 100 km / s / Mpc . Poi, negli anni '90 , le ipotesi del modello ΛCDM hanno portato a un valore vicino a 70 km/s/Mpc .

All'inizio del XXI esimo metodi di testimonianza dei valori incompatibili secolo

Se le osservazioni fatte a partire dagli anni 2010 concordano all'incirca con un valore prossimo ai 70 km/s/Mpc , rappresentano comunque un problema per gli astrofisici.

Fino alla fine degli anni 2010 sono stati utilizzati due metodi principali per stimare sperimentalmente il valore della costante di Hubble:

Utilizzo di osservazioni utilizzando candele standard . Il metodo utilizzato prevede due passaggi. Innanzitutto, misurazioni molto precise del telescopio spaziale sulle cefeidi consentono di determinare la distanza di molte galassie entro un raggio di 30 Mpc. Le Cefeidi essendo stelle semplici, non possono essere osservate a distanze molto grandi, comunque non a distanze adatte ad una misura di . In una seconda fase, i dati precedenti vengono utilizzati per calibrare misurazioni di distanza su galassie molto più distanti (entro un raggio di 400 Mpc), ottenute con diversi metodi: misurazione della luminosità delle supernove , misurazione della luminosità globale delle galassie a spirale e relative alla loro velocità di rotazione ( legge di Tully-Fisher ) o anche misura della luminosità complessiva delle galassie ellittiche e relativa alla loro velocità di dispersione (uso del piano fondamentale per misurare le distanze). $H_0$
Utilizzo dell'osservazione della radiazione cosmologica diffusa nell'ambito del modello ΛCDM . Ci affidiamo poi a programmi di osservazione destinati a stimare i principali parametri di quest'ultimo modello, come il WMAP o il telescopio spaziale Planck.

I valori più precisi ottenuti per la costante di Hubble ottenuti utilizzando il primo metodo convergono intorno ai 73 km/s/Mpc, mentre quelli utilizzati nel secondo si avvicinano ai 67 km/s/Mpc. La differenza è quindi significativa (a seconda degli studi, dell'ordine da tre a cinque deviazioni standard ). Mentre la precisione del primo tipo di misurazione dovrebbe essere ridotta all'1% entro cinque anni, non vi è alcuna indicazione che ulteriori osservazioni possano ridurre significativamente il disaccordo con il secondo tipo di misurazione. Poiché gli studi confermano questa differenza, la distorsione nelle misurazioni della distanza diventa sempre meno probabile.

Altri metodi di misurazione introdotti nella ricerca alla fine degli anni 2010:

L'uso delle onde gravitazionali rilevate da LIGO e Virgo , con una precisione prevista del 2% entro il 2025 (e dell'1% entro il 2030). Nel 2019, il livello di precisione di questo metodo non consente di propendere per l'uno o l'altro dei valori di riferimento per la costante di Hubble.
L'uso di variazioni temporali tra più immagini (mediante lenti gravitazionali ) di oggetti massicci, un metodo utilizzato in particolare dalla collaborazione internazionale H0LiCOW ( H0 Lenses in COSMOGRAIL's Wellspring ), e i cui risultati sono compatibili con il metodo della candela standard.

Nel 2019 non si conoscono con certezza le ragioni di questa incompatibilità. Durante il congresso di cosmologia tenutosi nel luglio 2019, a Santa Barbara (California) , gli astrofisici presentano diverse misurazioni del tasso di espansione dell'Universo tra 69,8 e 76,5 km/s/Mpc , a ± 2 km/s/Mpc vicino, una discrepanza qualificata dalla maggior parte dei partecipanti come "problema" o "tensione" . Diverse pubblicazioni richiedono in particolare un riesame del modello ΛCDM per risolvere questo problema.

Misure recenti della costante di Hubble (in caso di più pubblicazioni viene citata solo l'ultima)

Datato	Valore costante di Hubble (in km/s/Mpc)	Squadra	Nota / metodologia
06/11/2019	73.3+1.7 −1.8	H0LiCOW	Osservazione delle variazioni temporali tra più immagini (mediante lenti gravitazionali ) di sei quasar .
14/10/2019	74.2+2,7 -3	passi avanti	Modellazione della distribuzione di massa e dei ritardi temporali del quasar DES J0408-5354 tramite una lente gravitazionale.
13/09/2019	82,4 ± 8,4		Calibrazione delle distanze utilizzando immagini fantasma di un quasar a causa di un effetto lente gravitazionale .
07/08/2019	70.3+5.3 -5	Rilevatori LIGO e VIRGO	Analisi delle onde gravitazionali e delle onde radio associate, in particolare GW170817 .
26/03/2019	74.03 ± 1.42	Telescopio Spaziale Hubble / SCARPE	Osservazione delle Cefeidi della Grande Nube di Magellano (dopo la sua precisa calibrazione) da parte del Telescopio Spaziale Hubble .
09/11/2020	67,4 ± 0,5	PLANCK 2018	Analisi delle osservazioni cosmiche di fondo diffuse effettuate dal satellite Planck ( pubblicato l'11 settembre 2020 ).
20/12/2012	69,32 ± 0,8	WMAP	Analisi dei dati da WMAP sullo sfondo diffuso cosmico combinati con altri dati cosmologici in una versione semplificata del modello ΛCDM.
agosto 2006	76,9+10,7 −8,7	Chandra	Osservazione nel campo dei raggi X.
maggio 2001	72 ± 8	Telescopio Spaziale Hubble	Analisi in campo ottico con candele standard .

Concetti correlati

Il tempo di Hubble, annotato t H , è l'inverso della costante di Hubble:

t_ \ mathrm {H} = \ frac {1} {H_0} = H_0 ^ {- 1}

Il raggio di Hubble, indicato R H , è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto ( c 0 ) e la costante di Hubble:

R_ \ mathrm {H} = \ frac {c_0} {H_0}

La sfera di Hubble, indicata con S H , è la sfera di raggio R H , il raggio di Hubble, centrata sull'osservatore.

La sua superficie (interna) è l'orizzonte di Hubble.

Il suo volume, indicato con V H , è il volume di Hubble:

V_ \ mathrm {H} = \ frac {4} {3} {\ pi} R_ \ mathrm {H} ^ 3

Note e riferimenti

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