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TDCOSMO. XXIII. Measurement of the Hubble constant from the doubly lensed quasar HE1104-1805

Questo studio presenta la prima analisi TDCOSMO del quasar doppiamente lensato HE1104-1805, che combina misurazioni di ritardo temporale, dispersione di velocità stellare, modellazione della lente e convergenza esterna per ottenere una stima di H₀ = 64.2 ± 5.8 km s⁻¹ Mpc⁻¹, dimostrando che i sistemi doppiamente lensati possono fornire vincoli di precisione comparabili a quelli dei sistemi quadrupli e costituendo un passo fondamentale verso una misurazione più accurata della costante di Hubble su larga scala.

Autori originali: Eric Paic, Frédéric Courbin, Christopher D. Fassnacht, Aymeric Galan, Martin Millon, Dominique Sluse, Devon M. Williams, Simon Birrer, Elizabeth J. Buckley-Geer, Michele Cappellari, Frédéric Dux, Xian

Pubblicato 2026-03-24

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CC BY 4.0

Autori originali: Eric Paic, Frédéric Courbin, Christopher D. Fassnacht, Aymeric Galan, Martin Millon, Dominique Sluse, Devon M. Williams, Simon Birrer, Elizabeth J. Buckley-Geer, Michele Cappellari, Frédéric Dux, Xiang-Yu Huang, Shawn Knabel, Cameron Lemon, Anowar J. Shajib, Sherry H. Suyu, Tommaso Treu, Kenneth C. Wong, Lise Christensen, Veronica Motta, Alessandro Sonnenfeld

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

🌌 Il Grande Orologio Cosmico: Misurare l'Universo con un "Quasar Doppio"

Immagina l'Universo come un enorme palloncino che si sta gonfiando. Gli astronomi vogliono sapere esattamente quanto velocemente si sta gonfiando in questo preciso momento. Questa velocità si chiama Costante di Hubble ( $H_0$ ).

Per decenni, gli scienziati hanno avuto due orologi diversi per misurare questa velocità: uno che guarda il "bagliore residuo" del Big Bang (che dice che il palloncino si gonfia a una certa velocità) e un altro che guarda le stelle vicine (che dice che si gonfia più velocemente). C'è un litigio tra questi due orologi, e nessuno sa chi ha ragione.

Questo articolo presenta un terzo orologio, completamente indipendente, basato su un trucco della natura chiamato lente gravitazionale.

1. Il Trucco della Lente: Un Specchio Cosmico

Immagina di avere una lampada molto potente (un Quasar, che è un buco nero supermassiccio che brilla come un faro) molto lontana. Tra noi e questa lampada c'è una galassia enorme (la Lente).

Secondo la teoria di Einstein, la massa di questa galassia curva lo spazio, agendo come una lente d'ingrandimento. Invece di vedere un solo punto di luce, ne vediamo due (o quattro, ma in questo caso ne vediamo due). È come se la galassia lente creasse un'immagine speculare del faro.

2. Il Ritardo: La Corsa a Ostacoli

La luce che forma le due immagini non percorre la stessa strada.

Immagine A: Prende una strada leggermente più corta ma passa vicino a una zona di "traffico" gravitazionale.
Immagine B: Prende una strada più lunga ma più libera.

Poiché le strade hanno lunghezze diverse, la luce impiega tempi diversi per arrivare a noi. Se il faro lampeggia (i quasar sono molto variabili), noi vedremo il lampeggio nell'immagine A oggi e nell'immagine B tra qualche mese.

Misurando questo ritardo temporale (in questo caso, circa 176 giorni) e sapendo quanto è curva la strada (grazie alla massa della galassia lente), possiamo calcolare la distanza totale e, di conseguenza, la velocità di espansione dell'Universo.

3. La Sfida: Il "Quasar Doppio"

Fino a poco tempo fa, gli astronomi usavano principalmente quasar che venivano divisi in quattro immagini (quadrupli). Erano come "gioielli rari": difficili da trovare, ma molto facili da studiare perché offrivano molti indizi.

Tuttavia, i quasar divisi in due immagini (doppi) sono molto più comuni. Immagina di cercare di capire il clima: è meglio avere 100 misurazioni approssimative o 5 misurazioni perfette? Gli astronomi volevano usare i "doppi" per avere più dati, ma erano difficili da studiare perché offrivano meno indizi sulla forma della lente.

Questo articolo è storico perché è il primo della collaborazione TDCOSMO che analizza un "Quasar Doppio" (HE 1104−1805) con la massima precisione, trattandolo con la stessa serietà dei "gioielli quadrupli".

4. I Quattro Ingredienti Segreti

Per ottenere la misura, gli scienziati hanno dovuto cucinare un "brodo cosmico" con quattro ingredienti fondamentali, raccolti con telescopi spaziali e terrestri:

Il Cronometro (Ritardo Temporale): Hanno guardato il quasar per 17 anni con diversi telescopi (SMARTS, Euler, WFI) per tracciare esattamente quando la luce ha "saltato" da un'immagine all'altra. Risultato: 176,3 giorni.
Il Tachimetro (Velocità delle Stelle): Hanno usato uno strumento potentissimo (MUSE al VLT) per misurare quanto velocemente le stelle nella galassia lente si muovono. È come misurare la velocità del traffico per capire quanto è pesante la strada. Questo serve a capire la massa della lente.
La Mappa della Strada (Modellazione della Lente): Hanno usato immagini ad altissima risoluzione dal telescopio spaziale Hubble per ricostruire la forma esatta della galassia lente e calcolare la differenza di percorso della luce.
Il Controllo del Traffico (Ambiente): Hanno guardato intorno alla lente per vedere se altre galassie vicine stavano "disturbando" la luce. Hanno scoperto che la zona è leggermente meno affollata della media (un "deserto cosmico"), il che aiuta a pulire i calcoli.

5. Il Risultato: Un Nuovo Orizzonte

Mettendo insieme tutti questi pezzi, hanno ottenuto una misura della Costante di Hubble:
$H_0 = 64,2 \pm 5,8$ km/s/Mpc.

Cosa significa?

È un valore che si trova nel mezzo tra le due misure precedenti (quella del Big Bang e quella delle stelle vicine), ma con un margine di errore ancora un po' ampio.
La precisione è circa il 5-6%, che è paragonabile alle migliori misure ottenute finora con i quasar "quadrupli".
Il punto cruciale: Hanno dimostrato che i quasar "doppi" funzionano! Possono essere usati per ottenere misure precise.

6. Perché è importante? (La Metafora del Ponte)

Immagina di dover costruire un ponte molto lungo. Prima, potevi usare solo un tipo di mattone (i quasar quadrupli), ma erano rari e costosi. Ora, questo articolo ti dice: "Ehi, possiamo usare anche questo altro tipo di mattone (i quasar doppi), sono abbondanti e funzionano quasi altrettanto bene!"

Questo apre la strada per costruire un campione di dati molto più grande. Se potessimo misurare centinaia di questi quasar doppi, potremmo finalmente risolvere il mistero della velocità di espansione dell'Universo con una precisione del 1%.

In sintesi:
Gli scienziati hanno usato un "faro cosmico" diviso in due immagini per misurare il tempo che la luce impiega a viaggiare. Combinando questo con la velocità delle stelle nella galassia che fa da lente, hanno ottenuto una nuova misura della velocità dell'Universo. È un passo fondamentale per trasformare i "quasar doppi" da curiosità rare in una potente macchina per misurare il cosmo.

1. Il Problema Scientifico

Il lavoro si inserisce nel contesto della tensione attuale sulla costante di Hubble ( $H_0$ ), che descrive il tasso di espansione attuale dell'universo. Esiste una discrepanza statisticamente significativa (circa 5 $\sigma$ ) tra le misurazioni derivate dal fondo cosmico a microonde (CMB, $\sim 67.4$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) e quelle della scala delle distanze locali (es. Cefeidi e Supernove di Tipo Ia, $\sim 73.2$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ).
Per risolvere questa crisi, è necessario sviluppare sonde cosmologiche indipendenti. La cosmografia con ritardo temporale (Time-Delay Cosmography - TDC) utilizza quasar fortemente lensati per misurare $H_0$ in modo indipendente. Tuttavia, il metodo è limitato dalla dimensione del campione: finora si sono utilizzati prevalentemente quasar quadruplemente lensati (quads), che sono rari. I quasar doppiamente lensati (doubles) sono molto più abbondanti (circa 3/4 dei quasar lensati noti) e offrono ritardi temporali precisi, ma sono stati finora sottoutilizzati a causa di sfide nel modellamento della massa e della degenerazione massa-foglio (MSD). L'obiettivo è dimostrare che i sistemi doppi possono raggiungere precisioni simili a quelli quadrupli, aprendo la strada a un campione più ampio per raggiungere l'obiettivo di precisione dell'1% su $H_0$ .

2. Metodologia

Lo studio presenta la prima analisi TDCOSMO di un sistema doppiamente lensato, HE 1104−1805 ( $z_s = 2.32$ , $z_d = 0.729$ ), seguendo un protocollo rigoroso e cieco (blind) per evitare bias sperimentali. L'analisi si basa su quattro ingredienti fondamentali:

A. Misurazione del Ritardo Temporale ( $\Delta t_{AB}$ )

Dati: Combinazione di 17 anni di dati fotometrici dai telescopi SMARTS, Euler (ECAM) e WFI.
Metodo: Utilizzo del metodo di fitting con spline a nodi liberi (PyCS) per modellare la variabilità intrinseca del quasar e la variabilità estrinseca (microlensing).
Risultato: Un ritardo temporale di 176.3 $^{+11.4}_{-10.3}$ giorni (precisione del 5.8%). L'uso di dataset multipli e ad alta cadenza ha permesso di vincolare meglio il comportamento complesso del microlensing.

B. Cinematica Risolta Spazialmente (Stellar Velocity Dispersion)

Dati: Spettroscopia integrale di campo (IFU) ottenuta con lo strumento MUSE al VLT (ESO).
Analisi: Estrazione della dispersione di velocità stellare ( $\sigma_{LOS}$ ) in tre bin radiali concentrici attorno alla galassia lente.
Risultato: Misure di $\sigma_{LOS}$ con precisione tra il 5% e il 13% (278, 259, 222 km/s). L'analisi ha confermato che la lente è un rotatore lento, giustificando l'uso del modello Jeans anisotropo sferico (JAM).

C. Modellazione della Lente (Lens Modelling)

Dati: Immagini HST (F160W) ad alta risoluzione.
Approccio: Modellazione della distribuzione di massa e luce utilizzando due famiglie di modelli:
1. Potere di legge (Power-law): Distribuzione di massa ellittica (PEMD).
2. Composito: Separazione tra materia barionica (profilo chameleone doppio) e materia oscura (profilo NFW).
Ambiente: Inclusione esplicita di 9 perturbatori vicini e 6 gruppi di galassie lungo la linea di vista (LOS) nel modello di massa, utilizzando formalismi multi-piano.
Potenziale di Fermat: Calcolo della differenza di potenziale di Fermat tra le immagini.

D. Convergenza Esterna ( $\kappa_{ext}$ )

Dati: Imaging wide-field (Subaru SuprimeCam) per censire le galassie lungo la linea di vista.
Metodo: Tecnica dei conteggi di galassie (number counts) confrontata con simulazioni (Millennium Simulation) per stimare la densità di massa esterna non inclusa nel modello principale.
Risultato: $\kappa_{ext} = -0.019^{+0.058}_{-0.020}$ , indicando una regione leggermente sottodensa.

3. Risultati Chiave

Preferenza del Modello: L'analisi cinematica ha mostrato una forte preferenza per il modello a potere di legge rispetto al modello composito. Il modello composito ha fallito nel riprodurre correttamente il profilo di dispersione di velocità osservato (specialmente nel bin interno), generando una tensione di 2.1 $\sigma$ . Di conseguenza, il 95% del peso della probabilità finale è stato assegnato al modello a potere di legge.
Distanze Cosmologiche:
- Distanza di ritardo temporale: $D_{\Delta t} = 5083^{+504}_{-487}$ Mpc.
- Distanza angolare alla lente: $D_d = 1921^{+254}_{-236}$ Mpc.
Misurazione di $H_0$ :
Combinando tutti gli ingredienti, il valore misurato è:
$H_0 = 64.2^{+5.8}_{-5.0} \times \lambda_{int} \text{ km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$
Dove $\lambda_{int}$ $λ_{in t}$ è il parametro di degenerazione del foglio di massa interno (assunto pari a 1 per questa singola lente, ma sarà vincolato in analisi future).
- Precisione: 8.5% (comparabile alle migliori misurazioni su quasar quadrupli, che variano dal 4% al 6%).
- Confronto: Il valore è in accordo con la misurazione milestone TDCOSMO-2025, ma leggermente più basso del valore locale della scala delle distanze, sebbene entro gli errori.

4. Contributi e Significatività

Validazione dei Sistemi Doppi: Questo lavoro dimostra che i quasar doppiamente lensati, se analizzati con la stessa rigore metodologico dei sistemi quadrupli (inclusa la cinematica risolta e il modellamento dell'ambiente), possono fornire misurazioni di $H_0$ competitive.
Scalabilità del Campione: Poiché i sistemi doppi sono circa 5 volte più abbondanti dei sistemi quadrupli, questo studio apre la strada all'espansione del campione TDCOSMO, accelerando il percorso verso l'obiettivo di precisione dell'1%.
Indipendenza dai Bias di Selezione: L'analisi di un sistema doppio aiuta a verificare se le misurazioni su quasar quadrupli soffrono di bias di selezione (es. allineamenti particolari richiesti per i quads) che potrebbero influenzare la stima di $H_0$ .
Metodologia Cieca: L'intera catena di analisi è stata eseguita in modo cieco, con il risultato finale svelato solo dopo la conclusione della stesura del manoscritto, garantendo l'integrità scientifica del risultato.

Conclusione

Lo studio su HE 1104−1805 rappresenta un passo fondamentale ("stepping stone") per la cosmografia con ritardo temporale. Dimostra che l'integrazione di dati fotometrici a lungo termine, spettroscopia IFU ad alta risoluzione e modellazione avanzata dell'ambiente permette di ottenere vincoli precisi su $H_0$ anche con sistemi doppi. Il prossimo passo sarà l'inclusione di questo sistema in un'analisi gerarchica congiunta di tutto il campione TDCOSMO per vincolare simultaneamente $H_0$ e il parametro di degenerazione $\lambda_{int}$ , riducendo ulteriormente le incertezze sistematiche.