L’Universo tra Astrofisica e Fisica delle Alte Energie La radiazione di fondo cosmico a microonde

Possiamo far cominciare la nostra storia dal 1964, quando Arno Penzias e Robert Wilson, della Bell Telephone Company, stavano mettendo a punto, a Holmdel, New Jersey, un’antenna per le trasmissioni via satellite …

La sorgente del “rumore” era la volta celeste, Per migliorare la qualità delle telecomunicazioni, si deve cercare di eliminare i disturbi, quello che si chiama il rumore radioelettrico. Nel maggio del '64, Penzias e Wilson avevano cominciato a impiegare la loro antenna per misurare il rumore radioelettrico proveniente dallo zenit. Dedotti vari effetti, rimaneva un rumore residuo che risultò ineliminabile. Nell'anno seguente, essi si resero conto che lo stesso rumore era captato da ogni direzione. Inoltre constatarono che non subiva variazioni stagionali. Gradualmente risultò che esso non era prodotto dalla superficie terrestre, né da qualunque sorgente localizzabile. La sorgente del “rumore” era la volta celeste, o, in altre parole, l’universo

Qualcuno aveva previsto qualcosa del genere. Ma bisogna fare parecchi passi indietro … Almeno al 1928, e alla scoperta di Hubble

I moti dell’Universo sono determinati dalla gravitazione. La cosmologia moderna descrive le azioni gravitazionali in termini di modifiche della geometria. In cosmologia non si può non prescindere dagli aspetti locali: si descrive la materia dell’universo in termini di un fluido che ha le stesse proprietà ovunque. Lo spazio deve allora avere anch’esso le stesse proprietà ovunque. Sono possibili tre sole geometrie, descritte da un solo parametro (k)

Hubble era stato in realtà preceduto da Alexander Fridman (1922)

La storia della radiazione di fondo a microonde comincia, intorno al 1948, con George Gamow, fisico nucleare e astrofisico americano di origine russa, e con la sua visione cosmologica complessiva, la cosiddetta teoria del big bang caldo ... ... e con i suoi allievi Ralph Alpher e Robert Herman, che ipotizzarono una fase (a ~300.000 anni di vita dell’universo) in cui la materia, sotto forma di plasma, era in equilibrio termico a circa 5.000 K con la radiazione elettromagnetica

Se particelle materiali elettricamente cariche sono in equilibrio termico con la radiazione elettromagnetica, quest’ultima ha uno spettro caratteristico, che è opportuno chiamare termico in quanto dipende solo dalla temperatura.

Con l’espansione dell’universo, il gas di fotoni si raffredda. Alpher e Herman formularono la previsione che l’universo attuale dovrebbe essere pervaso da una radiazione elettromagnetica con spettro termico corrispondente a una temperatura di circa 5K. Nel 1965 la previsione di Alpher e Herman era caduta nel dimenticatoio Ma ritorniamo a Penzias e Wilson e al loro “rumore cosmico”

Per una coincidenza veramente straordinaria, Robert Dicke era alla guida di un gruppo di ricerca che si occupava di questi temi a Princeton, New Jersey, a pochi chilometri di distanza da Holmdel. Dicke era fautore di un universo chiuso oscillante: il “nostro” big bang farebbe seguito a un big crunch, un residuo del quale dovrebbe essere un fondo di radiazione elettromagnetica. Su sue indicazioni, Jim Peebles effettuò calcoli, pubblicati in un articolo proprio nel 1965, secondo i quali l’universo attuale dovrebbe essere permeato da una tale radiazione con spettro termico corrispondente a una temperatura di 10K.

Sentito della scoperta di Penzias e Wilson, Dicke e i suoi proposero immediatamente l’identificazione del fondo in eccesso da loro rivelato con la radiazione cosmica da loro prevista. I due gruppi si misero d’accordo per pubblicare due articoli sull’“Astrophysical Journal”, il primo dei quali, di Penzias e Wilson, forniva il resoconto della scoperta, mentre il secondo, dei fisici di Princeton, ne descriveva la possibile interpretazione cosmologica. Ma il segnale (non più rumore) di Penzias e Wilson era di una lunghezza d’onda intorno ai 7 cm (nel campo delle microonde). Per una vera conferma occorreva lo spettro!

Nel 1990 un satellite dedicato, COBE (Cosmic Background Explorer), trasmise a terra lo spettro completo della radiazione di fondo. Uno spettro termico alla temperatura di 2,728 K!

Proiezione di Hammer

L’analisi della struttura del campo di temperature ci permette potenzialmente l’accesso ad una quantità di informazioni cosmologicamente rilevanti. Questa analisi si rende però possibile solo per una risoluzione angolare più fine di quella che era stato in grado di compiere la missione COBE (che aveva una risoluzione angolare di 7 gradi). Una tale risoluzione è stata ottenuta in esperimenti più recenti, come BOOMERANG, DASI, MAXIMA E WMAP BOOMERANG = Balloon Observation of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics È una collaborazione fra varie università statunitensi, canadesi, britanniche, francesi e italiane, e con Istituti CNR, guidata congiuntamente da Paolo de Bernardis, Università di Roma “La Sapienza”, e da Andrew Lange, Cal. Tech.

Una mappa di BOOMERANG COBE aveva una risoluzione di 7 gradi. Anche se B. esplorò solo il 2,5% del cielo, lo fece con una risoluzione di 0,25 secondi d’arco

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Gli aspetti avventurosi ...

Le dimensioni lineari apparenti di un oggetto lontano, a parità delle dimensioni, dipendono dalla geometria dello spazio. Si pensi, a un triangolo isoscele, i cui due lati uguali sono formati dalle rette luce che congiungono le due estremità dell’oggetto al punto di osservazione: la dimensione apparente coinciderà con quella intrinseca nel caso di geometria euclidea, e risulterà rispettivamente maggiore e minore nei casi di geometria elittica e iperbolica.

Per poter inferire qualcosa sulla geometria, si deve avere un’informazione sulla dimensione intrinseca di qualcosa, una sorta di regolo campione. L’“orizzonte alla ricombinazione” è la distanza che un fotone può aver coperto dal più caldo e denso momento della storia dell’universo (il big bang) a quello in cui la materia diventò trasparente alla radiazione Se la geometria dello spazio è euclidea l’ampiezza dell’orizzonte alla ricombinazione vale circa un grado

Per l’azione della gravità, la materia tende a collassare verso regioni di densità maggiore della media, ma il processo è ostacolato dalla pressione di radiazione dovuta ai fotoni. Si instaurano così nel plasma delle oscillazioni, anzi una serie di modi normali di oscillazione. Per la stessa ragione per cui un gas compresso diventa più caldo, noi “vediamo” le oscillazioni in termini di variazioni di temperatura.

Un modo di oscillazione, dunque una corrispondente fluttuazione in temperatura, deve essere dell’ordine di grandezza dell’orizzonte alla ricombinazione. La vedremo più ampia, uguale o più piccola dell’orizzonte calcolato – dunque di un grado – a seconda che la geometria dello spazio sia sferica, euclidea o iperbolica. Ci sono tipiche fluttuazioni dell’ordine di un grado?

La risposta viene dall’analisi del cosiddetto spettro di potenza della radiazione di fondo L’universo è piatto!

Se la gravitazione rallenta l’espansione, ci si devono aspettare scostamenti dalla legge di Hubble. Supernovae di tipo A1 hanno fornito un nuovo tipo di candela cosmica. Gli scostamenti ci sono, Ma vanno in verso opposto: L’espansione è accelerata!

Nel 2001, il telescopio spaziale Hubble individuò una supernova remota che indicava uno scostamento dalla legge di Hubble comportante una decelerazione … Più recentemente, lo stesso Hubble ha individuato altre due supernovae (ACS) che sembrano collocarsi nella regione di transizione