Supernove Ia, età stellare ed energia oscura: perché il dibattito è ancora aperto

Le supernove di tipo Ia sono tra gli strumenti più importanti per misurare le distanze cosmiche. La discussione recente non dimostra che l’energia oscura sia stata smentita: pone una domanda più circoscritta ma rilevante. Una variazione della luminosità standardizzata delle supernove con l’età delle stelle progenitrici potrebbe assomigliare, nel diagramma distanza-redshift, al segnale attribuito all’espansione accelerata dell’universo?

La rianalisi di Pantheon+: che cosa sostiene

L’approccio contestato applica una correzione dipendente dall’età della popolazione progenitrice alle 1.701 supernove Ia del catalogo Pantheon+. Con questa correzione, gli autori riportano che la componente monopolare del parametro di decelerazione diventa positiva: l’universo continuerebbe quindi a espandersi, ma rallentando invece di accelerare.

Il ragionamento è semplice nelle premesse, molto più impegnativo nelle conseguenze. Le supernove Ia vengono rese confrontabili — cioè «standardizzate» — usando forma della curva di luce e colore, così da poterle impiegare come indicatori di distanza. Se dopo questa standardizzazione restasse una dipendenza della luminosità dall’età, e se l’età delle popolazioni stellari cambiasse sistematicamente con il redshift, una parte della tendenza osservata potrebbe derivare dall’evoluzione astrofisica e non dall’accelerazione cosmologica.

Se questa interpretazione fosse confermata, indebolirebbe in modo specifico l’argomento a favore dell’accelerazione basato sulle supernove. Da sola, però, non basterebbe a cancellare il quadro cosmologico più ampio del modello ΛCDM né tutte le altre misure cosmologiche.

Perché Schmidt, Riess e altri ricercatori dissentono

L’analisi contraria riconosce che le proprietà delle galassie ospiti vadano controllate, ma contesta che la correzione d’età proposta sia abbastanza grande da eliminare l’accelerazione.

Lo studio che difende la robustezza della cosmologia basata sulle supernove solleva in particolare tre obiezioni:

• l’effetto attribuito all’età può emergere dal trattare l’età della galassia ospite come se fosse l’età della stella che è poi esplosa; le due grandezze non coincidono necessariamente;
• la differenza d’età delle progenitrici stimata tra supernove vicine e lontane — circa 5 miliardi di anni nell’approccio contestato — sarebbe sovrastimata di un fattore compreso fra tre e cinque;
• la correzione standard per la massa della galassia ospite catturerebbe già dipendenze ambientali note, correlate anche con l’età. Applicandola, gli autori non trovano una dipendenza della luminosità standardizzata dall’età dell’ospite nel campione esaminato.

Su quest’ultimo punto, però, esiste un dissenso scientifico sostanziale. Il lavoro che propone il bias d’età sostiene che la cosiddetta correzione mass step non elimini completamente l’effetto, perché età della progenitrice e massa della galassia ospite evolvono in modo diverso con il redshift. La questione, dunque, non è semplicemente se servano correzioni, ma quale quantità fisica venga stimata correttamente e quale modello dell’ambiente ospite descriva davvero i dati.

Un controllo indipendente non elimina l’accelerazione

Una successiva rianalisi, che segnala la correzione di un errore nelle coordinate, conclude che il Pantheon+ non corretto è compatibile con ΛCDM. Anche applicando la correzione d’età contestata, ottiene un parametro monopolare di decelerazione (q_m=-0,267): un valore negativo, quindi ancora associato a un’espansione accelerata, seppure più debole. 17

Non è una parola definitiva, ma chiarisce perché non sia corretto presentare il rallentamento come un fatto ormai accertato. Il risultato dipende in modo sensibile dalla calibrazione, da come viene collegata l’età della galassia a quella della progenitrice e dal trattamento delle correzioni legate alla galassia ospite.

Come Rubin LSST potrebbe mettere alla prova l’ipotesi

Il Legacy Survey of Space and Time del Vera C. Rubin Observatory — generalmente indicato come LSST — dovrebbe misurare almeno 500 supernove Ia per stagione osservativa e raccogliere, nell’indagine decennale, decine di migliaia di curve di luce ben misurate fino a circa (z\sim1). 9 Altre previsioni indicano una scoperta complessiva vicina al milione di supernove Ia. 4

Un campione così ampio non risolverà automaticamente la controversia, ma consentirà test molto più severi:

1. Confronti allo stesso redshift. Supernove a redshift simile ma in galassie ospiti con età, massa, metallicità e storia di formazione stellare differenti potranno mostrare se, dopo la standardizzazione, rimane una differenza sistematica di luminosità.
2. Adattamento congiunto di astrofisica e cosmologia. Invece di assumere in anticipo che l’evoluzione delle popolazioni sia nulla o già nota, la si può modellare insieme ai parametri cosmologici e verificare se i dati richiedano ancora l’accelerazione.
3. Osservazioni più omogenee. Un singolo grande programma riduce alcune differenze di calibrazione tra survey precedenti, che potrebbero imitare tendenze legate al redshift.

La cautela decisiva riguarda gli errori sistematici: avere più dati non li fa sparire. La maggior parte degli eventi LSST non dovrebbe disporre di classificazione spettroscopica e redshift individuali; serviranno quindi classificazione fotometrica affidabile, redshift delle galassie ospiti, controllo dei bias di selezione e una calibrazione fotometrica molto accurata. 4

Che cosa è davvero in gioco

Il test più chiaro sarà un diagramma di Hubble con calibrazione indipendente e galassie ospiti ben caratterizzate: l’accelerazione resta necessaria anche quando si consentono correzioni flessibili, ma validate empiricamente, per età e ambiente?

Se la risposta sarà sì, il bias d’età non potrà essere la spiegazione principale del segnale. Se invece il segnale scomparirà con correzioni confermate in modo indipendente dai dati sulle galassie ospiti, l’interpretazione delle supernove come prova diretta dell’accelerazione cosmica tardiva dovrà essere rivista in profondità. Per ora, i risultati discordanti descrivono un confronto metodologico aperto, non il crollo definitivo dell’energia oscura. 17