The road to $H_0$, $\Omega_m$, and $w$ with a global neutrino-telescope network

L'universo si sta espandendo, ma gli astronomi non sono d'accordo su quanto velocemente. Un metodo, osservando l'eco residuo del Big Bang, suggerisce una velocità specifica. Un altro metodo, misurando le distanze di stelle vicine che esplodono, ne suggerisce una più rapida. Questo disaccordo, noto come tensione di Hubble, è uno dei misteri più pressanti della cosmologia moderna. Per risolverlo, gli scienziati hanno bisogno di un modo completamente nuovo per misurare le distanze cosmiche, uno che si basi su ipotesi diverse ed eviti i potenziali errori dei metodi esistenti. Per decenni, i neutrini ad alta energia — particelle spettrali che attraversano l'universo quasi intatte dalla materia — sono stati una possibilità affascinante per uno strumento del genere, ma sono stati troppo deboli e rari per fornire una risposta chiara.

Un nuovo studio propone un modo per trasformare queste elusive particelle in un righello cosmico preciso. Combinando i dati di una rete globale di rivelatori di neutrini con le osservazioni dei raggi X di galassie attive, i ricercatori hanno tracciato un percorso per misurare il tasso di espansione dell'universo con una precisione molto maggiore rispetto al passato. Il lavoro suggerisce che entro il 2030, uno sforzo coordinato tra telescopi nell'Artico, nel Mediterraneo e in Antartide potrebbe determinare il tasso di espansione con un margine di errore di pochi punti percentuali. Più che un semplice numero, questo approccio offre una nuova prospettiva sulle forze invisibili che modellano il cosmo, rivelando potenzialmente nuovi dettagli sulla densità della materia e sulla natura dell'energia oscura.

La chiave di questo nuovo metodo risiede in una sorprendente connessione tra due tipi di luce molto diversi. Le galassie attive, specificamente un tipo chiamato galassie Seyfert, sono alimentate da buchi neri supermassicci ai loro centri. Mentre il gas ruota verso questi buchi neri, si riscalda ed emette raggi X. Allo stesso tempo, l'ambiente violento accelera le particelle creando neutrini ad alta energia. Osservazioni recenti hanno rivelato un modello coerente: più una galassia è luminosa nei raggi X, più neutrini produce. Questa relazione funge da candela standard. Se gli scienziati sanno quanta luce X una galassia dovrebbe emettere in base alla sua produzione di neutrini, possono confrontare questa luminosità prevista con quella effettivamente osservata. Poiché la luce e i neutrini viaggiano alla stessa velocità e non vengono attenuati dalla polvere interposta su queste vaste distanze, qualsiasi differenza di luminosità indica loro esattamente quanto sia lontana la galassia.

Fino ad ora, questo metodo è stato limitato dal numero di galassie che riusciamo a vedere e dalla precisione dei nostri strumenti. L'attuale studio realizza la prima misurazione di successo di questa tecnica e proietta come migliorerà nei prossimi anni. I ricercatori sono partiti dai dati di IceCube, un enorme rilevatore di neutrini sepolto nel ghiaccio dell'Antartide. Hanno combinato questi dati con una nuova analisi delle galassie del cielo australe, precedentemente difficili da osservare perché appaiono sotto l'orizzonte per il rilevatore antartico. Aggiungendo i dati di altri due grandi rilevatori, KM3NeT nel Mar Mediterraneo e Baikal-GVD nel Lago Baikal, il team ha creato una rete globale in grado di vedere l'intero cielo.

I risultati di questa rete globale sono sorprendenti. La misurazione attuale del tasso di espansione dell'universo, nota come costante di Hubble, presenta un ampio margine di errore, variando considerevolmente. La nuova analisi, utilizzando i dati esistenti, la perfeziona con un valore centrale di 66. Guardando al 2030, quando i nuovi rilevatori saranno pienamente operativi e saranno stati raccolti più dati, si prevede che l'incertezza si ridurrà drasticamente. La previsione suggerisce che la misurazione si stringerà, con un valore centrale di 6, rappresentando una riduzione dell'incertezza di quasi due terzi, portando la misurazione basata sui neutrini in un fuoco molto più nitido.

Accanto al tasso di espansione, lo studio chiarisce anche la relazione tra le emissioni di raggi X e di neutrini. I dati indicano una pendenza matematica specifica che descrive come i due tipi di luce scalano l'uno rispetto all'altro. I dati attuali suggeriscono che questa pendenza sia circa 0,72, il che significa che la produzione di neutrini cresce più lentamente della produzione di raggi X. Entro il 2030, i ricercatori prevedono di essere in grado di misurare questa pendenza con tale precisione da poter escludere definitivamente un modello "calorimetrico" più semplice, in cui i due crescerebbero allo stesso ritmo. La conferma di questa pendenza specifica è cruciale perché valida il modello fisico utilizzato per trasformare i conteggi dei neutrini in misurazioni di distanza.

Il potere di questa rete va oltre la semplice misurazione di quanto velocemente l'universo si stia espandendo oggi. I ricercatori propongono che, se questa stessa relazione valesse per una popolazione di galassie molto distanti ad alto redshift — specificamente una classe di oggetti compatti e rossi recentemente scoperti dal Telescopio Spaziale James Webb — questi neutrini potrebbero essere utilizzati per sondare la storia dell'espansione dell'universo. Estendendo la scala delle distanze a queste sorgenti lontane, la rete di neutrini potrebbe fornire misurazioni indipendenti della densità della materia nell'universo e delle proprietà dell'energia oscura, la forza misteriosa che guida l'espansione accelerata. Sebbene questa applicazione futura dipenda dall'ipotesi che questi oggetti distanti seguano le stesse regole delle galassie vicine, il potenziale di testare questi parametri cosmologici fondamentali con un nuovo tipo di messaggero cosmico è un passo significativo in avanti.

Raggiungere questi risultati richiederà una stretta cooperazione tra le comunità dei neutrini e dei raggi X. L'accuratezza delle misurazioni di distanza dipende fortemente dalla conoscenza esatta della luminosità in raggi X di alcune galassie "ancora" chiave. Migliorare i modelli che tengono conto di come il gas assorba i raggi X in queste galassie, e dedicare più tempo di osservazione ai telescopi, sarà altrettanto importante quanto costruire migliori rilevatori di neutrini. Il percorso verso una comprensione più chiara dell'espansione dell'universo non consiste solo nel catturare più particelle; si tratta di perfezionare l'intera catena di osservazione, dall'assorbimento della luce nelle galassie distanti alla rilevazione di particelle spettrali sulla Terra. Mentre la rete globale diventerà operativa nel prossimo decennio, essa promette di trasformare i neutrini da rare curiosità in uno strumento robusto e indipendente per mappare il cosmo.