Biases from Astrophysical Environmental Effects in Standard-Siren Cosmology
Questo studio dimostra che l'accelerazione lungo la linea di vista non modellata dei binarismi compatti in ambienti astrofisici densi induce sistematicamente i misuramenti della costante di Hubble tramite standard siren verso valori inferiori, creando un errore sistematico significativo che persiste anche mediando su grandi cataloghi di eventi.
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L'universo si sta espandendo e, da decenni, gli astronomi cercano di misurare esattamente quanto velocemente lo faccia. Questo tasso, noto come costante di Hubble, è un numero fondamentale che ci dice l'età e le dimensioni del cosmo. Per trovarlo, gli scienziati utilizzano tradizionalmente due metodi diversi che fungono da righelli cosmici. Un metodo osserva l'universo primordiale, utilizzando il bagliore residuo del Big Bang per calcolare quanto velocemente lo spazio dovrebbe stare dilatandosi. L'altro osserva l'universo vicino, osservando stelle esplodenti e altri oggetti luminosi per misurare direttamente l'espansione. Straneamente, questi due metodi forniscono risposte diverse, un enigma noto come tensione di Hubble. È possibile che la differenza derivi da un difetto nel nostro modo di misurare, o potrebbe significare che la nostra comprensità della fisica è incompleta.
Un terzo modo indipendente per misurare questa espansione è emerso recentemente utilizzando le onde gravitazionali. Queste sono increspature nello spaziotempo causate da eventi cosmici violenti, come la collisione di due stelle di neutroni. Quando queste stelle si scontrano, inviano un segnale che indica esattamente quanto siano lontane, senza la necessità di salire su una scala di altre misurazioni per arrivarci. Se riusciamo anche a trovare la galassia dove è avvenuto lo scontro e determinare quanto velocemente quella galassia si stia allontanando da noi, possiamo calcolare il tasso di espansione dell'universo con alta precisione. Questo metodo è chiamato cosmologia delle sirene standard e, con la prossima generazione di rilevatori, promette di essere uno degli strumenti più accurati a nostra disposizione. Tuttavia, affinché questo strumento funzioni perfettamente, dobbiamo essere certi che nulla distorca il segnale mentre viaggia verso di noi.
Un team di ricercatori ha ora indagato su una fonte di distorsione sottile ma potenzialmente pericolosa. Si sono concentrati su ciò che accade quando due stelle di neutroni non fluttuano da sole nel vuoto, ma orbitano invece l'una attorno all'altra all'interno di un ambiente denso e affollato, come il disco rotante di gas attorno a un buco nero supermassiccio al centro di una galassia. In questi quartieri affollati, le stelle non si muovono solo in un semplice cerchio; vengono spinte e tirate dalla gravità di oggetti vicini e dall'attrito del gas circostante. Ciò causa l'accelerazione delle stelle lungo la linea di vista, il che significa che accelerano o rallentano rispetto a noi in un modo che cambia nel tempo. I ricercatori volevano sapere se questa accelerazione avrebbe ingannato i nostri rilevatori, fornendo una risposta errata sulla distanza delle stelle e, di conseguenza, una risposta errata sull'espansione dell'universo.
Per scoprirlo, gli scienziati hanno creato una simulazione al computer di cinquanta collisioni di stelle di neutroni binarie. Immaginavano che queste stelle fossero situate nei centri delle galassie, dove sperimentavano diversi livelli di accelerazione causati dal loro ambiente. Hanno poi fatto passare i segnali simulati attraverso i software di analisi dei dati che i futi rilevatori, come l'Einstein Telescope e il Cosmic Explorer, utilizzeranno per studiare eventi reali. Fondamentalmente, il software che hanno utilizzato era progettato per il caso ideale: assumeva che le stelle si muovessero in un vuoto perfetto senza forze esterne che agissero su di esse. I ricercatori volevano vedere cosa sarebbe successo se il mondo reale fosse stato più disordinato di quanto il modello presupponeva.
I risultati hanno mostrato che ignorare la spinta e il tiro ambientali crea un errore sistematico. Quando il software analizzava segnali che contenevano effettivamente accelerazione, stimava erroneamente la distanza delle stelle. Calcolava che le stelle fossero più lontane di quanto fossero in realtà. Poiché la distanza è una parte chiave del calcolo per il tasso di espansione, questo errore ha causato una stima finale dell'espansione dell'universo troppo bassa. I ricercatori hanno scoperto che questo bias non scompare guardando un numero maggiore di eventi. In realtà, accade l'opposto. Quando si combinano i dati di molte stelle, l'incertezza statistica diminuisce, rendendo il risultato più preciso. Ma se ogni singola misurazione è spostata nella stessa direzione errata, la risposta finale diventa un numero molto preciso, molto sicuro, ma completamente sbagliato.
Lo studio ha quantificato quanto questo problema potesse essere rilevante. Hanno scoperto che anche se solo una piccola frazione delle stelle osservate è influenzata da questa accelerazione, l'errore può diventare significativo. Ad esempio, se il dieci percento delle stelle in un campione di cinquanta si muove con un tipo specifico di accelerazione, il risultato finale potrebbe essere errato di oltre tre volte il margine di errore previsto. Se l'accelerazione è più forte, anche una piccola frazione di stelle colpite può causare uno spostamento enorme. I ricercatori hanno notato che questo effetto è particolarmente complicato perché la direzione dell'accelerazione — se le stelle stanno accelerando verso di noi o rallentando — non annulla l'errore. L'analisi tende a sovrastimare la distanza indipendentemente dalla direzione, portando a una sottostima costante dell'espansione dell'universo.
Questa scoperta suggerisce che l'ambiente in cui queste stelle si fondono non è solo un dettaglio di sfondo, ma un fattore critico per la cosmologia. Se i futuri rilevatori osserveranno centinaia di questi eventi, i piccoli bias delle singole stelle potrebbero accumularsi in un errore sistematico importante che altera la nostra intera comprensione dell'espansione dell'universo. I ricercatori concludono che, per raggiungere l'alta precisione promessa dai rilevatori di prossima generazione, dobbiamo aggiornare i nostri modelli per includere questi effetti ambientali. Facendo ciò, non solo possiamo correggere la misurazione della costante di Hubble, ma possiamo anche imparare di più sulle regioni dense e caotiche dove hanno luogo queste collisioni cosmiche. Il percorso verso una misurazione precisa dell'espansione dell'universo richiede ora di guardare più da vicino ai quartieri affollati dove vivono le stelle.
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