Astrocultura UAI - Unione Astrofili Italiani- Sezione Astrofisica

Da quel lontano 1964, quando i due tecnici dei laboratori Bell, Arno Penzias e Robert Wilson scoprirono la radiazione fossile di fondo a microonde dell’Universo, sono passati più di quaranta anni.

Già nel 1948 il fisico americano di origine russa George Gamow e i suoi giovani collaboratori Ralph Alpher e Robert Herman ipotizzarono che se l’Universo aveva avuto origine tra i 10 e i 20 miliardi di anni fa, da un stato fisico caratterizzato da una densità e temperatura elevatissime, così come previsto dal modello del Big-Bang, allora l’espansione avrebbe raffreddato la radiazione fino ad una temperatura di circa 5°K e lo spettro risultante sarebbe stato quello di un ‘corpo-nero’ in equilibrio termico ad una certa temperatura.

L’Accademia Svedese delle Scienze, che nel 1978 assegnò a Penzias e Wilson il Nobel per la Fisica, aveva motivato la scoperta sottolineando che Aquella di Penzias e Wilson è un risultato di fondamentale importanza perchè ci permette di avere notizie dei processi cosmici che avvennero al tempo della nascita dell’Universo@.

Come molte scoperte essa fu accidentale. Nel 1964, Penzias e Wilson stavano studiando un’antenna usata per le telecomunicazioni via satellite nei laboratori Bell della AT&T a Holmdel. Holmdel è una cittadina del New Jersy distante solo un paio d’ore da New York, un posto rurale, tranquillo senza che ci sia l’agitazione ed il frastuono della grande metropoli.

Penzias e Wilson si ripromettevano di studiare in questo posticino tranquillo il rumore radioelettrico proveniente dal cielo al fine di migliorare la qualità delle comunicazioni. L’antenna usata da Penzias e Wilson era uno strumento ad alto rendimento, a forma di tromba.

Arno Penzias e Robert Wilson con la loro antenna a forma di tromba (Courtesy of Bell-Lab)

Quando l’apertura punta verso il cielo il rumore di fondo, che ha una temperatura di circa T’ 300EK, produce un rumore nell’antenna di 0,3EK, mentre nei comuni radiotelescopi non scende al di sotto di 20-30EK.

Nel Maggio del 1964, Penzias e Wilson incominciarono a misurare il rumore radioelettrico proveniente dallo zenit. Il risultato fu di 6,7EK. Eliminando l’assorbimento atmosferico e l’effetto della stessa antenna, il rumore netto proveniente dallo zenit sembrava sembre essere sempre di 3,5EK.

Questo valore era troppo elevato secondo Penzias e Wilson che perciò si rifiutarono di
accettarlo. Essi pensarono che ci fosse qualcosa nell’antenna che non funzionasse e perciò controllarono ogni suo punto per capire quale potesse essere la causa nella determinazione di questo valore di 3,5EK.

Pulirono alla perfezione l’antenna ma non riuscirono ad abbassare il valore di 3,5EK. Nell’anno seguente, essi misurarono ancora lo stesso valore non solo puntando l’antenna verso lo zenit ma anche verso qualsiasi altra direzione del cielo. Inoltre essi constatarono che il segnale non subiva variazioni stagionali.

Con il passare del tempo diventava chiaro che quel valore di 3,5EK non era causato dalla superficie terrestre, nè dal Sistema Solare, nè da qualsiasi altra sorgente radio. Era piuttosto una radiazione diffusa in tutto lo spazio, omogenea in tutte le direzioni e successivamente venne chiamata radiazione cosmica di fondo.

I due tecnici non si resero conto dell’importanza teorica della loro scoperta. Fu solo in seguito quando Dicke e altri colleghi della vicina Princeton University dissero loro che quell’eccesso di rumore era proprio ciò che il gruppo di Princeton stava cercando.

La scoperta fatta da Penzias e Wilson si può paragonare, per l’importanza che ha avuto per la cosmologia moderna, a quella fatta da Edwin Hubble nel 1929 sulla recessione delle galassie, ossia sull’espansione dell’Universo.

2 - La radiazione di fondo è quella di un corpo-nero

Le misure fatte a varie lunghezze d’onda della radiazione cosmica di fondo sono distribuite secondo uno spettro di corpo-nero. Noi sappiamo che la radiazione di un corpo-nero di un sistema fisico implica che esista equilibrio termico.

Perciò, se la radiazione di fondo ha uno spettro di corpo-nero questo significa che la componente della radiazione cosmica dell’Universo è in stato di equilibrio termico e possiamo denotare questo stato con un valore della temperatura. Un importante oggetto delle osservazioni cosmologiche è infatti la determinazione di questa temperatura.

Il primo valore ottenuto da Penzias e Wilson fu appunto di 3,5EK con un considerevole margine d’errore. Varie misure successive stabilirono tutte un valore che è prossimo a 2,7EK, oggi accettato dalla comunità scientifica.

Inoltre, poichè il valore dello spettro della radiazione di fondo ha un massimo nella regione delle microonde, la radiazione stessa viene spesso definita come radiazione cosmica di fondo a microonde o in breve CMB dall’inglese Cosmic Microwave Background radiation.

3 - La “firma” del Big-Bang

I due tecnici dei laboratori Bell ben presto compresero che ciò che essi avevano scoperto era una sorta di fermo immagine dell’Universo quando esso aveva circa 400-500.000 anni dalla sua nascita.

A quell’epoca, i primi atomi si formavano da una miscela di particelle cariche e nuclei atomici. La formazione degli atomi infatti permise alla radiazione di sfuggire all’assorbimento causato in epoche ancora precedenti dall’assorbimento e dalla riemissione dovuti a particelle altamente eccitate.

La radiazione riempiva intanto lo spazio e continuava a raffreddarsi man mano che l’Universo si espandeva. La rivelazione della radiazione cosmica di fondo da parte di Penzias e Wilson implicava perciò che la radiazione stessa avesse viaggiato per circa 14-15 miliardi di anni prima di raggiungerci, dilatandosi verso il rosso, in seguito all’espansione dell’Universo, e rivelandosi come microonde alla temperatura di 2,7EK.

Ciò che si osserva oggi è la sua uniformità in qualsiasi direzione del cielo ed essa rappresenta l’informazione più antica che gli astronomi possono osservare, una sorta di bagliore della grande esplosione iniziale.

Questo risultato fu di fondamentale importanza cosmologica perchè ci si chiese subito come e quando si fossero formate le prime strutture, ossia i primi aggregati di materia da cui hanno avuto origine le stelle e le galassie.

Per rispondere a queste domande, nel 1989 la NASA lanciò un satellite dedicato allo studio della radiazione cosmica di fondo. Dopo 3 anni, si ebbero i primi risultati della missione denominata COsmic Background Explorer (COBE).

Il satellite COBE

I risultati furono sorprendenti poichè COBE permise di ottenere il più perfetto spettro di corpo-nero mai osservato in natura con una precisione dello 0,005%, confermando l’ipotesi di un Big-Bang “caldo” poichè solo in condizioni così particolari la radiazione cosmica avrebbe potuto seguire tanto fedelmente la legge del corpo-nero.

Lo spettro di corpo nero della radiazione cosmica di fondo osservato da COBE (Courtesy of COBE team)

Ma la scoperta più interessante si ebbe quando furono rivelate delle piccole fluttuazioni, rispetto alla radiazione media, ossia delle differenze di temperatura nella CMB pari a 2 parti su centomila.

Questo significava aver trovato la “prova evidente” dell’esistenza di strutture primordiali da cui si sono formate le stelle, le galassie e gli ammassi di galassie che noi vediamo oggi. In altre parole, le regioni più calde erano quelle da cui emersero le stelle, le galassie e gli ammassi di galassie, grazie all’azione della gravità, mentre le regioni più fredde si espandevano formando spazi sempre più vuoti.

La mappa in falsi colori della radiazione cosmica di fondo osservata dal satellite COBE. Qui le zone più calde sono mostrate in rosso e differiscono di circa 0,0002 °K rispetto a quelle più fredde mostrate in blu. E’ come osservare le montagne sulla superficie della Terra senza avere tutti gli altri dettagli. Le differenze di temperatura della radiazione cosmica di fondo avrebbero prodotto le fluttuazioni di densità di materia determinando l’origine delle galassie e delle strutture su grande scala durante l’epoca primordiale dell’Universo. (Courtesy of COBE team).

Tuttavia, il potere esplorativo di COBE era di 7E di cielo, equivalente a 14 lune piene, tale cioè da non bene discriminare quelle strutture primordiali da cui si sono formate le galassie o gli ammassi di galassie.

Per questo motivo vennero condotti altri esperimenti per studiare più in dettaglio la radiazione cosmica di fondo mediante l’utilizzo di palloni sonda posti al di fuori dell’atmosfera terrestre. Qui ne citerò solamente due tra i più importanti.

Il primo di questi esperimenti volò tra la fine di Dicembre 1998 e la prima decade di Gennaio 1999 sopra il cielo dell’Antartide a circa 37 Km di quota. Un gruppo internazionale di ricercatori aveva creato, grazie all’esperimento denominato BOOMERANG (Ballon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), una mappa dettagliata della radiazione cosmica di fondo con una accuratezza circa 40 volte meglio di quella ottenuta con il satellite COBE.

Mappa della radiazione cosmica di fondo ottenuta con l’esperimento BOOMERANG. Si notano le fluttuazioni relative alla variazione di temperatura su una scala di cielo pari a 1°. (Courtesy of BOOMERANG team).

I risultati di BOOMERANG, grazie al suo potere esplorativo pari a 1E di cielo, avevano rivelato variazioni di temperatura pari a 1 parte su diecimila, in accordo con altri esperimenti, supportando il modello inflazionario, cioè l’epoca di rapida espansione dell’Universo.

Un altro importante esperimento, denominato MAXIMA (Millimeter Anisotropy Experiment
Imaging Array), riuscì a completare due voli sopra il cielo del Texas nel 1998 e nel 1999. MAXIMA aveva confermato i risultati di BOOMERANG, esplorando la radiazione cosmica di fondo su scale di cielo ancora più piccole.

La mappa della radiazione cosmica di fondo ottenuta con l’esperimento MAXIMA. (Courtesy of MAXIMA
experiment team).

Anche se questi due esperimenti hanno avuto successo per la cosmologia moderna, è bene ricordare però che i due palloni sonda hanno potuto esplorare solo una piccola percentuale di cielo.

4 - La Mappa dell’Universo primordiale

Nel 2001 la NASA lanciò il satellite MAP (Microwave Anisotropy Probe) per ottenere una mappa dettagliata su tutto il cielo della CMB e rispondere quindi agli interrogativi più importanti della cosmologia moderna come le condizioni iniziali dell’Universo, la sua struttura, la sua età, il tasso di espansione, il suo destino.

Studiare perciò la radiazione cosmica di fondo a microonde con maggiori dettagli è come osservare la prima luce dell’Universo per gli astronomi, equivalente alla scoperta di un fossile di dinosauro per gli archeologi, e ricostruire perciò la vita dell’Universo come era 14-15 miliardi di anni fa.

Situato a circa 1,5 milioni di Km dalla Terra, circa quattro volte la distanza Terra-Luna, rivolgendo le spalle alla Terra, alla Luna e al Sole, con un potere esplorativo pari a 1E di cielo, MAP ha osservato il cosmo per un periodo di 18 mesi creando quella che è stata definita l’immagine dell’Universo neonato

Il satellite WMAP

La mappa in falsi colori della radiazione cosmica di fondo ottenuta dal satellite WMAP. L’immagine ci mostra le fluttuazioni della temperatura quando l’Universo si raffreddò al punto tale che gli atomi cominciarono a formarsi permettendo alla luce di viaggiare su grandi distanze fino a raggiungerci. E’ come osservare la luce che viaggia attraverso le nuvole. Noi vediamo solo i dettagli sulla superficie delle nuvole. A differenza di COBE, WMAP ci rivela una informazione più dettagliata, grazie al suo potere esplorativo, sulle condizioni iniziali dell’Universo. L’immagine che vediamo rappresenta un Universo neonato quando aveva appena 379.000 anni dalla sua nascita, circa 13 miliardi di anni fa. L’equivalente della foto di una persona di 80 anni quando era appena nata. (Courtesy of LAMBDA team).

Dettaglio della mappa del cielo osservata da WMAP. Le piccolissime variazioni di temperatura dell’ordine del milionesimo di grado, rispetto al valor medio di 2.7 °K che permea l’Universo, ci permettono di avere delle informazioni sui “luoghi” dove hanno avuto origine le strutture cosmiche che osserviamo oggi. (Courtesy of LAMBDA team).

Dall’analisi della mappa del cielo, MAP, ridenominato WMAP, dove la W sta per Wilkinson in onore di uno degli astronomi che faceva parte del gruppo di ricerca scomparso per cancro, ci ha permesso di rivelare variazioni di temperatura dell’ordine del milionesimo di grado e di capire come l’emissione della radiazione cosmica di fondo a microonde proviene da un epoca quando l’Universo aveva appena 380.000 anni, l’equivalente del primo giorno nella vita di un uomo di 80 anni.

E’ come aver messo a fuoco la mappa del cielo fornita da COBE alcuni anni prima e aver portato a casa una miniera d’oro piena di nuovi dati e risultati. Analizzando i dati di WMAP, gli astronomi hanno potuto confrontare i loro modelli dell’Universo primordiale, quasi come cercare l’esatta impronta digitale cosmica ottenuta mediante simulazioni grafiche al computer.

La mappa del cielo ottenuta con WMAP viene confrontata con i modelli teorici realizzati in computer grafica. E’ come trovare l’esatta “impronta digitale cosmica”, ossia il modello più vicino che meglio descrive i dati osservati. (Courtesy of LAMBDA team).

Quando un modello va in accordo con i dati osservati, gli astronomi possono risalire alle condizioni iniziali per creare l’evoluzione dell’Universo nei suoi primi istanti di vita. I risultati ottenuti dal gruppo di ricerca della missione WMAP si possono riassumere come segue:

< L’Universo ha una età di 13,7 miliardi di anni, con un margine di errore di qualche centinaio di milioni di anni;

< L’Universo è piatto, nel senso che la sua geometria dello spazio è tale che due raggi di luce emessi da due punti A e B tra loro distanti si propagheranno secondo due rette parallele;

< L’Universo sembra destinato ad espandersi per sempre;

< Il tasso di espansione dell’Universo è di 71 Km/sec ogni 3 milioni di anni-luce, che esprime la costante di Hubble e che ci dice quale è la velocità media di allontanamento di una galassia rispetto al nostro sistema di riferimento;

< Le prime stelle si sono formate quando l’Universo aveva appena 200 milioni di anni;

< L’Universo è composto dal 23% di materia non visibile, il 73% da energia scura, la cui natura non è ancora nota e che sembra determinare una accelerazione all’espansione dell’Universo e solo il 4% è sottoforma di materia ordinaria, quella cioè di cui sono formati pianeti, le stelle e le galassie.

Nuovi e recenti analisi dei dati di WMAP ottenuti da un gruppo di ricerca dell’Università di Durham hanno messo in evidenza che gli ammassi vicini di galassie sembrano esistere in regioni di cielo dove la temperatura della radiazione fossile è minore rispetto al valor medio.

Questo comportamento si può spiegare se il gas caldo negli ammassi di galassie abbia interagito con i fotoni primordiali del Big-Bang degradando l’informazione contenuta nella radiazione fossile.

La posizione nel cielo degli ammassi vicini di galassie coinciderebbe con le regioni mediamente più fredde osservate nella mappa della radiazione cosmica di fondo. Questo fatto potrebbe essere spiegato assumendo che la radiazione, passando attraverso gli ammassi vicini di galassie prima di raggiungerci, venga degradata in seguito all’interazione con il gas caldo degli ammassi. (Courtesy of University of Durham).

Ciò vuol dire che la posizione degli ammassi di galassie o dei superammassi potrebbe coincidere con le regioni più fredde nella mappa del cielo della radiazione cosmica di fondo.

Quindi se i risultati del gruppo di Durham sono confermati, le conseguenze per la cosmologia potrebbero essere molto importanti e si potrebbe riconsiderare o addirittura modificare l’interpretazione dei dati del satellite WMAP sulla radiazione cosmica di fondo.

Nel 2007 è prevista la data di lancio del satellite Planck dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) che avrà un potere esplorativo di 10’, cioè 6 volte meglio di WMAP (potere esplorativo di 1E) e 42 volte meglio di COBE (potere esplorativo di 7E).

Quello che gli astronomi si aspettano è una migliore stima dei parametri cosmologici per capire meglio quali siano state le condizioni iniziali che hanno dato origine alle strutture galattiche che osserviamo oggi e comprendere quindi i fenomeni sulla nascita ed evoluzione dell’Universo.

Lo studio della radiazione cosmica di fondo sarà, probabilmente, la chiave che ci permetterà di comprendere se il Big-Bang possa, realisticamente, rappresentare il meccanismo che ha portato all'Universo attuale o se ci sarà la necessità di ricorrere a nuove e rivoluzionarie teorie.

Per ora, i risultati ottenuti da WMAP supportano pienamente l’idea di un Universo che ha avuto origine con una grande esplosione iniziale, il Big-Bang, e aprono una nuova finestra che ci permette di studiare lo stato fisico dell’Universo nei suoi primi istanti di vita.