Quella mattina di luglio in una stanza con una vista ostruita del Pacifico, Riess sembrava avere un secondo premio Nobel nel suo mirino. Tra i 100 esperti della folla — invitati rappresentanti di tutti i principali progetti cosmologici, insieme a teorici e altri specialisti interessati — nessuno poteva negare che le sue possibilità di successo fossero notevolmente migliorate il venerdì prima.

Prima della conferenza, un team di cosmologi che si fa chiamare H0LiCOW aveva pubblicato la loro nuova misurazione del tasso di espansione dell’universo. Alla luce di sei quasar distanti, H0LiCOW ha ancorato H0 a 73,3 chilometri al secondo per megaparsec — significativamente più alto della previsione di Planck. Ciò che importava era quanto vicino H0LiCOW 73.3 è sceso a misure di H0 da SH0ES — il team guidato da Riess. SH0ES misura l’espansione cosmica usando una “scala di distanza cosmica”, un metodo graduale per misurare le distanze cosmologiche. L’ultima misurazione di SH0ES a marzo ha individuato H0 a 74.0, ben entro i margini di errore di H0LiCOW.

“Il mio cuore era aflutter”, mi ha detto Riess, del suo primo sguardo al risultato di H0LiCOW due settimane prima di Santa Barbara.

Per sei anni, il team SH0ES ha affermato di aver trovato una discrepanza con le previsioni basate sull’universo primordiale. Ora, le misurazioni combinate SH0ES e H0LiCOW hanno superato una soglia statistica nota come” five sigma”, che in genere significa una scoperta di nuova fisica. Se la costante di Hubble non è 67 ma in realtà 73 o 74, allora ΛCDM manca qualcosa-qualche fattore che accelera l’espansione cosmica. Questo ingrediente aggiuntivo aggiunto al mix familiare di materia ed energia produrrebbe una comprensione più ricca della cosmologia rispetto alla teoria ΛCDM piuttosto blanda.

Durante il suo discorso, Riess ha detto del divario tra 67 e 73, “Questa differenza sembra essere robusta.”

“So che abbiamo chiamato questa “tensione costante di Hubble””, ha aggiunto, ” ma siamo ancora autorizzati a chiamare questo un problema?”

Ha posto la domanda al collega premio Nobel David Gross, un fisico delle particelle e l’ex direttore del Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP), dove si è svolta la conferenza.

” Non lo chiameremmo una tensione o un problema, ma piuttosto una crisi”, ha detto Gross.

” Allora siamo in crisi.”

Per chi cerca di capire il cosmo, una crisi è la possibilità di scoprire qualcosa di grande. Lloyd Knox, un membro del team Planck, ha parlato dopo Riess. “Forse la tensione costante di Hubble è l’eccitante rottura di ΛCDM che siamo stati tutti, o molti di noi sono stati, aspettando e sperando”, ha detto.

The Hubble Constant Surd

Quando i colloqui si sono conclusi per la giornata, molti partecipanti si sono ammassati in un furgone diretto all’hotel. Abbiamo guidato passato palme con l’oceano sulla destra e le montagne di Santa Ynez alla lontana sinistra. Wendy Freedman, un veterano decorato di Hubble constant, arroccato in seconda fila. Una donna magra e calma di 62, Freedman ha guidato il team che ha effettuato la prima misurazione di H0 con una precisione del 10%, arrivando a un risultato di 72 nel 2001.

L’autista, un giovane californiano barbuto, ha sentito parlare del problema di Hubble e del problema di come chiamarlo. Invece di tensione, problema o crisi, ha suggerito “surd”, che significa senza senso o irrazionale. La costante di Hubble surd.

Freedman, tuttavia, sembrava meno vertiginoso del conferencegoer medio sull’apparente discrepanza e non era pronto a chiamarlo reale. “Abbiamo più lavoro da fare”, disse tranquillamente, quasi mettendo in bocca le parole.

Freedman ha trascorso decenni a migliorare le misurazioni H0 usando il metodo cosmic distance ladder. Per molto tempo, ha calibrato i gradini della sua scala usando le stelle cefeidi – le stesse stelle pulsanti di luminosità nota che SH0ES usa anche come” candele standard ” nella sua scala di distanza cosmica. Ma lei si preoccupa di fonti sconosciute di errore. ” Sa dove sono sepolti tutti gli scheletri”, ha detto Barry Madore, marito e stretto collaboratore di Freedman, che si è seduto davanti accanto all’autista.

Freedman ha detto che è per questo che lei, Madore e il loro programma Carnegie-Chicago Hubble (CCHP) hanno deciso diversi anni fa di usare le stelle “tip of the red giant branch” (TRGBs) per calibrare una nuova scala di distanza cosmica. I TRGB sono ciò che le stelle come il nostro sole si trasformano brevemente alla fine della loro vita. Gonfi e rossi, crescono sempre più luminosi fino a raggiungere un picco di luminosità caratteristico causato dall’accensione improvvisa di elio nei loro nuclei. Freedman, Madore e Myung Gyoon Lee hanno sottolineato per la prima volta nel 1993 che questi giganti rossi con un picco possono servire come candele standard. Ora Freedman li aveva messi al lavoro. Mentre scaricavamo dal furgone, le ho chiesto del suo discorso programmato. “È il secondo discorso dopo pranzo domani”, ha detto.

“Sii lì”, disse Madore, con un barlume negli occhi, mentre ci separavamo.

Quando sono arrivato nella mia camera d’albergo e ho controllato Twitter, ho scoperto che tutto era cambiato. Freedman, Madore e la carta del loro team CCHP era appena caduto. Usando le stelle tip-of-the-red-giant-branch, avevano ancorato la costante di Hubble a 69.8, in particolare a corto di SH0ES ‘ 74.0 measurement usando cefeidi e H0LICOW’s 73.3 dai quasar, e più che a metà strada alla previsione di Planck 67.4. “L’universo ci sta solo prendendo in giro a questo punto, giusto?”un astrofisico ha twittato. Le cose stavano diventando surd.

Dan Scolnic, un giovane membro occhialuto di SH0ES con sede alla Duke University, ha detto che lui, Riess e altri due membri del team si erano riuniti, “cercando di capire cosa c’era nel giornale. Adam e io poi siamo andati a cena fuori e siamo rimasti piuttosto perplessi, perché in quello che avevamo visto fino a questo punto, i cefeidi e TRGBs erano davvero d’accordo.”

Hanno presto iniziato il cambiamento chiave nel documento: un nuovo modo di misurare gli effetti della polvere quando si misura la luminosità intrinseca di TRGBs — il primo gradino della scala della distanza cosmica. ” Abbiamo avuto un sacco di domande su questo nuovo metodo”, ha detto Scolnic. Come altri partecipanti sparsi in tutto il Best Western Plus, hanno atteso con impazienza Freedman’s talk il giorno successivo. Scolnic ha twittato: “Domani sarà interessante.”

Per Costruire una Distanza di Scala

Tensione, problema, crisi, surd — c’è stata una costante di Hubble qualcosa per 90 anni, sin da quando l’astronomo Americano Edwin Hubble trame delle distanze e la velocità di recessione delle galassie ha mostrato che lo spazio e tutto ciò che è sfuggente da noi (Hubble proprio rifiuto di accettare questa conclusione in deroga). Una delle più grandi scoperte cosmologiche di tutti i tempi, l’espansione cosmica implica che l’universo ha un’età finita.

Il rapporto tra la velocità recessiva di un oggetto e la sua distanza dà la costante di Hubble. Ma mentre è facile dire quanto velocemente una stella o una galassia si sta allontanando — basta misurare lo spostamento Doppler delle sue frequenze, un effetto simile a una sirena che cade in altezza mentre l’ambulanza si allontana — è molto più difficile dire la distanza di una puntura di spillo di luce nel cielo notturno.

Fu Henrietta Leavitt, uno dei “computer” umani dell’Harvard College Observatory, a scoprire nel 1908 che le stelle cefeidi pulsano con una frequenza proporzionale alla loro luminosità. Le cefeidi grandi e luminose pulsano più lentamente di quelle piccole e fioche (proprio come una grande fisarmonica è più difficile da comprimere di una piccola). E così, dalle pulsazioni di una cefeide lontana, puoi leggere quanto sia intrinsecamente luminosa. Confrontalo con quanto appare debole la stella, e puoi dire la sua distanza-e la distanza della galassia in cui si trova.

Nel 1920, Hubble usò le cefeidi e la legge di Leavitt per dedurre che Andromeda e altre “nebulose a spirale” (come erano conosciute) sono galassie separate, ben oltre la nostra Via Lattea. Questo ha rivelato per la prima volta che la Via Lattea non è l’intero universo — che l’universo è, infatti, inimmaginabilmente vasto. Hubble utilizzò poi le cefeidi per dedurre le distanze dalle galassie vicine, che, confrontate con le loro velocità, rivelarono l’espansione cosmica.

Hubble sopravvalutò la velocità di 500 chilometri al secondo per megaparsec, ma il numero diminuì quando i cosmologi usarono le cefeidi per calibrare scale di distanza cosmiche sempre più accurate. Dal 1970 in poi, l’eminente cosmologo osservazionale e protetto di Hubble Allan Sandage ha sostenuto che H0 era di circa 50. I suoi rivali hanno sostenuto un valore intorno a 100, sulla base di diverse osservazioni astronomiche. Il dibattito al vetriolo 50-versus-100 infuriava nei primi anni ’80 quando Freedman, un giovane canadese che lavorava come postdoc presso i Carnegie Observatories di Pasadena, in California, dove lavorava anche Sandage, si proponeva di migliorare le scale a distanza cosmica.

Per costruire una scala di distanza, si inizia calibrando la distanza a stelle di luminosità nota, come le cefeidi. Queste candele standard possono essere utilizzate per misurare le distanze dalle cefeidi più deboli nelle galassie più lontane. Questo dà le distanze di ” supernove di tipo 1a” nelle stesse galassie — prevedibili esplosioni stellari che servono candele standard molto più luminose, anche se più rare. Quindi usate queste supernove per misurare le distanze a centinaia di supernove più lontane, in galassie che si muovono liberamente nella corrente di espansione cosmica, nota come ” flusso di Hubble.”Queste sono le supernove il cui rapporto tra velocità e distanza dà H0.

Ma anche se si suppone che la debolezza di una candela standard indichi la sua distanza, la polvere attenua anche le stelle, facendole sembrare più lontane di quanto non siano. L’affollamento di altre stelle può farle sembrare più luminose (e quindi più vicine). Inoltre, anche le presunte stelle a candela standard hanno variazioni intrinseche dovute all’età e alla metallicità che devono essere corrette. Freedman ha ideato nuovi metodi per affrontare molte fonti di errore sistematico. Quando ha iniziato a ottenere valori H0 superiori a quelli di Sandage, è diventato antagonista. “Per lui, ero un giovane parvenu”, mi ha detto in 2017. Tuttavia, negli anni ‘ 90 ha assemblato e guidato l’Hubble Space Telescope Key Project, una missione per utilizzare il nuovo telescopio Hubble per misurare le distanze da cefeidi e supernove con maggiore precisione che mai. Il valore H0 di 72 che il suo team ha pubblicato nel 2001 ha diviso la differenza nel dibattito 50-versus-100.

Freedman fu nominato direttore degli Osservatori Carnegie due anni dopo, diventando il capo di Sandage. Lei era gentile e lui si ammorbidì. Ma ” fino al suo giorno di morte”, disse, “credeva che la costante di Hubble avesse un valore molto basso.”

Pochi anni dopo la misurazione di Freedman da 72 a 10% di precisione, Riess, che è professore alla Johns Hopkins University, è entrato nel gioco cosmic distance ladder, decidendo di inchiodare H0 entro l ‘ 1% nella speranza di comprendere meglio l’energia oscura che aveva co-scoperto. Da allora, il suo team SH0ES ha costantemente rafforzato i gradini della scala-in particolare il primo e più importante: la fase di calibrazione. Come ha detto Riess, ” Quanto è lontano qualcosa? Dopo di che, la vita diventa più facile; si sta misurando le cose relative.”SH0ES attualmente utilizza cinque modi indipendenti di misurare le distanze dai loro calibratori cefeidi. “Sono tutti d’accordo abbastanza bene, e questo ci dà molta fiducia”, ha detto. Come hanno raccolto i dati e migliorato la loro analisi, le barre di errore intorno H0 ridotto al 5% nel 2009, poi 3.3%, poi 2.4%, poi 1.9% a partire da marzo.

Nel frattempo, dal 2013, le iterazioni sempre più precise del team di Planck della sua mappa di sfondo a microonde cosmica hanno permesso di estrapolare il valore per H0 sempre più precisamente. Nella sua analisi del 2018, Planck ha rilevato che H0 è 67.4 con una precisione dell ‘ 1%. Con Planck e SH0ES più di” quattro sigma ” a parte, è sorto un disperato bisogno di misurazioni indipendenti.

Tommaso Treu, uno dei fondatori di H0LiCOW e professore all’Università della California, Los Angeles, aveva sognato fin dai suoi giorni da studente a Pisa di misurare la costante di Hubble usando la cosmografia a ritardo temporale-un metodo che salta del tutto i gradini della scala della distanza cosmica. Invece, si determina direttamente la distanza dai quasar – i centri tremolanti e luminosi delle galassie lontane-misurando accuratamente il ritardo temporale tra le diverse immagini di un quasar che si formano mentre la sua luce si piega attorno alla materia che interviene.