⚛️ high-energy experiments

Measurement of the Hubble constant with high-energy neutrinos

Questo articolo presenta la prima realizzazione osservativa di un nuovo metodo della scala delle distanze basato sui neutrini, utilizzando neutrini astrofisici ad alta energia provenienti da 12 galassie di Seyfert per misurare la costante di Hubble, ottenendo un risultato di $H_0 = 49^{+40}_{-30}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ che è coerente con le determinazioni esistenti pur dimostrando un approccio innovativo privo di sistematiche di propagazione elettromagnetica.

Autori originali: Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

Pubblicato 2026-08-04

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CC BY 4.0

Autori originali: Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

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

Immaginate l'Universo come un gigantesco palloncino in espansione. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di misurare esattamente quanto velocemente questo palloncino si stia gonfiando. Questa velocità è chiamata costante di Hubble ( $H_0$ ), e conoscerla è fondamentale perché ci dice l'età dell'Universo e come esso finirà. Ma ecco la parte complicata: per misurare la velocità di espansione, bisogna prima conoscere la distanza esatta degli oggetti lontani. Misurare le distanze cosmiche è come cercare di indovinare quanto sia lontano un amico in una stanza buia solo in base a quanto forte sia la sua voce. Di solito, usiamo la luce (i fotoni) come la nostra voce. Ma la luce è un messaggero volubile; viene bloccata dalla polvere, assorbita dai gas e dispersa dalle nuvole, rendendo difficile sapere quanto fosse forte la voce all'origine. Questo ha portato a un enorme disaccordo nel mondo della fisica: un gruppo di scienziati, usando la luce più antica dell'Universo, afferma che il palloncino si sta espandendo a una certa velocità, mentre un altro gruppo, usando stelle esplodenti, dice che è più veloce. Questo è noto come la "tensione di Hubble", ed è uno dei più grandi misteri della fisica moderna.

Ora, immaginate un messaggero a cui non importa della polvere, del gas o dell'oscurità. Entra in scena il neutrino: una particella minuscola e simile a un fantasma, capace di sfrecciare attraverso interi pianeti senza urtare nulla. Poiché viaggiano senza attenuazione, i neutrini sono perfetti per misurare le distanze cosmiche senza il "disturbo" che infastidisce la luce. In questo nuovo studio, un team di ricercatori ha deciso di tentare un esperimento audace: usare i neutrini ad alta energia provenienti da galassie attive come un nuovo righello per misurare l'espansione dell'Universo. Non si sono limitati a simulare questo; hanno esaminato dati reali provenienti dall'Osservatorio di Neutrini IceCube, che si trova sepolto nel ghiaccio dell'Antartide, in attesa che queste particelle fantasma passino attraverso di esso.

Il team si è concentrato su 12 specifiche galassie chiamate galassie Seyfert. Queste sono centrali elettriche cosmiche con buchi neri supermassicci al loro centro, circondati da una "corona" calda e luminosa di plasma. I ricercatori hanno usato un trucco astuto basato sulla relazione tra due tipi di energia emessi da queste galassie: i raggi X e i neutrini. Pensate alla corona come a una cucina. I raggi X sono il calore che proviene dai fornelli, e i neutrini sono l'odore del cibo che cuoce. Gli scienziati hanno ipotizzato che, se si conosce quanto è caldo il fornello (la luminosità dei raggi X), si può prevedere quanto dovrebbe essere forte l'odore (la luminosità dei neutrini). Se l'odore è più debole o più forte di quanto previsto per un dato calore, ciò indica quanto è lontana la cucina.

Utilizzando i dati della collezione di 14 anni di IceCube, il team ha scoperto che, per queste 12 galassie, la relazione tra il calore dei raggi X e l'odore dei neutrini non è un semplice accoppiamento 1 a 1. Invece, hanno scoperto che man mano che le galassie diventano più luminose nei raggi X, il segnale dei neutrini non cresce velocemente come previsto da alcune teorie. Nello specifico, hanno misurato un valore di pendenza $\beta = 0,67^{+0,16}_{-0,25}$ . Questo risultato suggerisce che la "cucina" non è perfettamente efficiente; la produzione di neutrini diventa meno efficiente man mano che la galassia diventa più luminosa, escludendo un limite "calorimetrico" specifico dove l'efficienza sarebbe perfetta (un valore di $\beta = 1$ ) con una certezza di circa 2 deviazioni standard.

Con questo nuovo "righello di neutrini" calibrato, hanno calcolato la costante di Hubble. Il loro risultato è $H_0 = 49^{+40}_{-30}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ . Sebbene questo numero abbia un ampio margine di errore (il che significa che il valore reale potrebbe essere ovunque tra 19 e 89), è un primo passo rivoluzionario. Dimostra che i neutrini possono effettivamente essere usati come un nuovo strumento per la cosmologia, liberi dalla polvere e dai gas che confondono le misurazioni basate sulla luce. Il risultato si colloca comodamente tra i due valori contrastanti degli studi precedenti, suggerendo che i neutrini potrebbero eventualmente aiutare a risolvere la tensione di Hubble, ma per ora, la misurazione è più una prova di concetto che una risposta definitiva. Gli autori sottolineano che, sebbene l'incertezza sia elevata, il metodo è solido e offre un modo fresco e privo di errori sistematici per osservare l'Universo in espansione.

Sintesi Tecnica: Misurazione della costante di Hubble con neutrini ad alta energia

Problematica
Determinare la scala dell'Universo e risolvere la "tensione di Hubble" — la discrepanza di circa $5\sigma$ tra le determinazioni della costante di Hubble ( $H_0$ ) dell'Universo primordiale (Planck CMB) e dell'Universo tardivo (Cefeidi–supernovae) — è una sfida centrale nella cosmologia moderna. Quasi tutte le sonde di distanza esistenti si affidano ai fotoni, i quali sono soggetti a sistematiche di propagazione tra cui l'estinzione da polvere, l'assorbimento intergalattico, lo scattering e complessi modelli di trasferimento radiativo. Questi effetti introducono incertezze difficili da separare dalle proprietà intrinseche delle sorgenti. Una misurazione della distanza utilizzando un messaggero che attraversa l'Universo senza attenuazione permetterebbe di bypassare interamente tali sistematiche elettromagnetiche.

Metodologia
Questo lavoro introduce un nuovo gradino della scala delle distanze cosmiche utilizzando neutrini astrofisici ad alta energia provenienti da sorgenti puntiformi come "candele standardizzabili". Il metodo si basa sulla correlazione fisica tra la luminosità dei neutrini ( $L_\nu$ ) e la luminosità dei raggi X ( $L_X$ ) nelle coronae delle galassie di Seyfert, descritta dalla relazione di legge di potenza:
$L_\nu = \kappa L_X^\beta$
dove $\kappa$ è una costante di normalizzazione e $\beta$ è una pendenza che codifica la fisica della corona.

L'analisi utilizza un campione di 12 galassie di Seyfert selezionate ai raggi X, identificate nel rilascio pubblico a 14 anni di IceCube sulle sorgenti puntiformi. La metodologia procede come segue:

Ancoraggio: La scala è ancorata a una distanza non legata al redshift di NGC 1068, derivata da una combinazione di variabili Cefeidi e del Tip of the Red Giant Branch (TRGB) ( $10,93 \pm 0,74$ Mpc). Questo rompe la degenerazione tra la normalizzazione $\kappa$ e $H_0$ .
Estrazione dei Dati: I conteggi del segnale dei neutrini ( $\hat{n}_s$ ) e le relative incertezze vengono estratti per ogni sorgente utilizzando il framework di verosimiglianza non binaria SkyLLH applicato ai 14 anni di dati di IceCube. I flussi di raggi X ( $F_X$ ) sono presi dal BAT AGN Spectroscopic Survey (BASS), corretti per l'assorbimento.
Costruzione della Verosimiglianza: Gli autori costruiscono una verosimiglianza gaussiana nello spazio della luminosità. Il segnale previsto dei neutrini dipende dalla costante di Hubble attraverso la distanza di luminosità $d_L(z, H_0)$ . Nello specifico, il segnale atteso scala come $d_L^{2(\beta-1)}$ . Se $\beta = 1$ (il limite calorimetrico), la dipendenza dalla distanza si cancella, rendendo il metodo cieco rispetto a $H_0$ . Pertanto, è richiesta una pendenza diversa dall'unità per la misurazione.
Inferenza Statistica: Viene eseguita un'analisi Markov Chain Monte Carlo (MCMC) sullo spazio dei parametri $\{H_0, \beta, d_{1068}\}$ . La normalizzazione $\kappa$ viene profilata analiticamente ad ogni valutazione della verosimiglianza. L'analisi tiene conto delle velocità peculiari e delle correzioni del redshift nel frame CMB, particolarmente per le sorgenti a basso redshift.

Risultati Chiave
Utilizzando il campione di 12 sorgenti, gli autori riportano la prima misurazione della costante di Hubble utilizzando neutrini astrofisici ad alta energia:
$H_0 = 49^{+40}_{-30} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1} \quad (68\% \text{ intervallo di credibilità})$
L'analisi fornisce simultaneamente la prima misurazione a livello di popolazione della pendenza tra luminosità dei neutrini e dei raggi X:
$\beta = 0,67^{+0,16}_{-0,25} \quad (68\% \text{ intervallo di credibilità})$

Risultati Principali e Implicazioni Fisiche

Pendenza Sub-calorimetrica: I dati prediligono una pendenza sub-lineare ( $\beta < 1$ ), escludendo il limite calorimetrico ( $\beta = 1$ ) a circa $2\sigma$ . Ciò suggerisce che nelle corone di queste galassie di Seyfert, la produzione di neutrini diventa meno efficiente per unità di luminosità ai raggi X man mano che la sorgente diventa più luminosa. Gli autori suggeriscono che ciò possa essere dovuto al raffreddamento per sincrotrone di pioni/muoni secondari o alle perdite per produzione di coppie Bethe–Heitler in corone dense e magnetizzate.
Consistenza con le Sonde Esistenti: La $H_0$ misurata è coerente sia con il valore Planck CMB ( $67,4 \pm 0,5$ ) sia con il valore SH0ES Cefeidi–supernovae ( $73,0 \pm 1,0$ ) entro $1\sigma$ , sebbene la grande incertezza impedisca a questa misurazione di risolvere attualmente la tensione di Hubble.
Libertà dalle Sistematiche: La misurazione è libera dalle sistematiche di propagazione elettromagnetica (estinzione, scattering). Le incertezze primarie derivano dalla statistica di conteggio per singola sorgente dei dati dei neutrini e dallo scatter intrinseco nella relazione $L_\nu$ – $L_X$ (assorbito nell'incertezza del flusso ai raggi X).

Significato e Rivendicazioni
Il documento rivendica di aver dimostrato la fattibilità dei neutrini ad alta energia come una nuova sonda cosmografica. Il suo significato primario risiede nell'aver stabilito un nuovo gradino della scala delle distanze cosmiche dove i fotoni sono richiesti solo nell'ancoraggio locale (NGC 1068) e mai lungo il percorso di propagazione verso l'osservatore. Sebbene l'attuale precisione sia limitata dalla piccola dimensione del campione e dall'area effettiva di IceCube, gli autori proiettano che il prossimo osservatorio IceCube-Gen2, con un aumento di circa $\sim 8\times$ dell'area effettiva, potrebbe ridurre l'incertezza su $H_0$ a $\sim 16\text{--}20 \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ con circa 50 sorgenti risolte. Il lavoro stabilisce che i neutrini possono fornire vincoli di distanza indipendenti, immuni dalle sistematiche di polvere e assorbimento che limitano tutte le altre attuali sonde di distanza.

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