Ritorna oggi Astronomica. Oggi ho scelto la domanda di Giovanni, che mi chiede di parlare della radiazione cosmica di fondo.
La nostra storia inizia nel 1964, quando due fisici che lavoravano per le Bell Telephone Laboratories, Arno Penzias e Robert Wilson, decidono di testare un’antenna per la microonde che verrà usata per le comunicazioni satellitari.
Breve excursus: cosa sono le microonde?
Risposta: qualcosa per certi versi simile alla luce.
Ok, detta così è triviale, ma rende l’idea. Chiediamoci allora cos’è la luce. Onde elettromagnetiche con una certa frequenza e, di conseguenza, una certa lunghezza d’onda. La lunghezza d’onda è la distanza tra due picchi di un’onda, ossia questo
mentre la frequenza è il numero di picchi presenti in un determinato intervallo di tempo.
Ora, sia la luce che le microonde sono onde elettromagnetiche: cosa le rende differenti?
La lunghezza d’onda. Quella delle microonde è più grande di quella della luce visibile. Ho trovato questo disegnino che rende perfettamente l’idea
Come vedete, le onde radio hanno lunghezza d’onda maggiore del visibile (sta al centro, quella specie di occhio stilizzato), e la luce visibile ha lunghezza d’onda maggiore dei raggi X che si usano per fare le radiografie.
Le microonde stanno tra il visibile e la radio.Chiusa parentesi.Torniamo ai nostri Penzias e Wilson. Dicevamo della loro antenna, questa
I due accendono l’antenna per iniziare a testarla e si accorgono di misurare un segnale alla frequenza di 160.2 GHz, pari ad una lunghezza d’onda di circa 1.9 mm. Pensano ad un qualche errore, o a un disturbo esterno. Spengono, riaccendono, si lambiccano il cervello cercando di eliminare tutte le possibili fonti di rumore. Leggenda vuole che ad un certo punto, disperati, inizino a credere che sia colpa della cacca di piccione che si deposita sull’antenna, e che per questo puliscano ossessivamente lo strumento. Niente. Provano a orientare l’antenna in altre direzioni. E fanno la prima grossa scoperta. Il segnale è identico in tutte le direzioni. Per altro è anche
omogeneo cioè uniforme, “senza imperfezioni”, ovunque. E ha anche una forma caratteristica; quella di un perfetto
corpo nero. Non scenderò nel dettaglio di cosa sia un corpo nero; a volte un’immagine vale più di mille parole, per cui ve lo faccio vedere direttamente
Questa per altro è proprio la forma del corpo nero misurato da Penzias e Wilson.
La svolta si ha quando i due scoprono che una radiazione identica a quella da loro misurata è prevista da alcuni modelli cosmologici. Non stanno quindi misurando un
rumore, ma un segnale di origine cosmologica: il
fondo cosmico a microonde, CMB (Cosmic Microwave Background, in inglese) per gli amici, che qualcuno poeticamente chiama l’
eco del Big Bang.
Il primo a predire questa radiazione fu Gamow, un fisico geniale di origini russe. Il Nobel però venne conferito solo a Penzias e Wilson, gli scopritori del segnale, e non a lui. Le malelingue vogliono che Gamow fosse russo, e la cosa non piaceva molto in epoca di Guerra Fredda…Comunque. Cos’è questo segnale?
Per spiegarlo occorre tornare indietro nel tempo. Indietro in senso proprio stretto, perché andiamo a collocarci all’origine del tempo: il Big Bang. In quel momento la materia dell’universo, tutta concentrata in un unico punto, inizia ad espandersi violentemente. Dal caos iniziale pian piano emergono forme che conosciamo: le prime particelle (protoni, elettroni, neutrini) e fotoni. Mandiamo in fast forward il videotape della creazione dell’universo, e stoppiamo a 300 000 anni dopo il Big Bang. Siamo ad almeno 13 – 14 miliardi di anni fa, anche se non conosciamo ancora con esattezza l’età dell’universo.
E insomma, a 300 000 anni dal Big Bang l’universo è
opaco: vuol dire proprio quel che credete. La materia è ancora molto densa, e per questo i poveri fotoni, le onde-particelle che compongono la radiazione elettromagnetica, rimbalzano impazzite da una particella all’altra. È come stare nella nebbia; in quel caso la luce rimbalza sulle particelle d’acqua e viene
diffusa, con l’effetto che non si vede niente. Ma proprio 300 000 anni dopo il Big Bang succede un fatto: l’universo si sta espandendo, la materia diventa meno densa, e contemporaneamente gli elettroni e i neutroni iniziano a mettersi insieme per costituire i primi atomi di idrogeno e elio. L’effetto è che i fotoni trovano meno ostacoli sul proprio cammino, e iniziano a poter percorrere più strada senza andare a sbattere contro nessuna particella. La nebbia si sta diradando. Questo fenomeno si chiama
disaccoppiamento, e implica che finalmente l’universo diventa trasparente.
Il fondo cosmico viene da lì. Come voi sapete, la luce viaggia a 300 000 km/s. Questo significa che che se sto a 900 000 km da qualcosa, la sua luce ci metterà tre secondi ad arrivare a me, ossia io non lo vedrò com’è ora, ma com’era tre secondi fa. Questo implica che guardare
lontano significa anche guardare
indietro nel tempo. Quando un astronomo guarda una stella che dista 50 anni luce da noi (ossia la sua luce impiega 50 anni a giungermi) non la vede
com’è ora ma
com’era 50 anni fa.
Capirete bene che questo vuol dire che costruendo telescopi sempre più grandi è possibile andare sempre più indietro nel tempo. In teoria, se fossimo abbastanza bravi potremmo vedere il Big Bang? No. Perché fino a 300 000 anni dopo il Big Bang l’universo non era trasparente alla luce, era immerso nella nebbia. Insomma, il fondo cosmico a microonde è
la cosa più lontana nel tempo che possiamo “vedere”. Oltre, non c’è letteralmente nulla da vedere.
Mi rendo conto che il concetto è complicato, e sto sudando le sette camicie per mettervela giù semplice. Spero di esserci riuscita
.
Donc, con gli strumenti attuali, il fondo cosmico appare così
Quest’immagine è stata presa con un satellite dedicato, WMAP. Come vede, ne risulta una mappa non proprio uniforme come vi dicevo prima. Ci sono piccole disomogeneità. Penzias e Wilson non le vedevano perché avevano la loro antenna non glielo permetteva, ma coi nostri strumenti queste cose si possono misurare. Considerate che le dimensioni di queste disomogeneità sono molto piccole: sono piccole “increspature” del fondo dell’ordine di una parte su centomila. “Ondine” veramente trascurabili. Ebbene, noi veniamo da lì. Tutto ciò che vediamo nell’universo, stelle, galassie, sono nate da quelle increspature microscopiche. Incredibile, eh?
È che quelle piccolissime variazioni di densità sono cresciute col tempo per
collasso gravitazionale (ossia in una zona più densa c’è più gravità, di conseguenza altra materia ci viene attirata sopra e così via) fino a dare origine a tutto ciò che vediamo. Vi renderete conto che capire perché si siano originate queste piccole
anisotropie, è questo il nome scientifico, è assolutamente fondamentale per ricostruire la storia dell’universo. E di teorie al riguardo ce ne sono svariate.
Il fondo cosmico a microonde è importante per un sacco di cose: ad esempio, le sue caratteristiche sono legate a determinati parametri cosmologici: conoscere con grande dettaglio il CMB significa di conseguenza mettere dei paletti ben determinati ai valori di tali parametri. Per altro, anche il CMB congiura a dimostrare che esiste la
materia oscura. In effetti le anisotropie del fondo cosmico a microonde non sono abbastanza grandi da permettere la creazione delle strutture che osserviamo oggi nel cosmo se queste ultime fossero composte solo di “materia normale”. C’è bisogno anche di materia oscura per spiegare quel che vediamo a partire dal CMB.
Tutto qua.
Qualche fonte
Introduzione alla Cosmologia, Francesco Lucchin, Zanichelli
http://www.mporzio.astro.it/~amendola/cmb.html
Le figure invece sono prese da
http://it.wikipedia.org/wiki/Spettro_elettromagnetico
http://lnx.astrofiliveronesi.it/index.php?pagina=l-origine-del-cosmo
http://physics.infis.univ.trieste.it/~monaco/node31.html
http://www-xray.ast.cam.ac.uk/xray_introduction/Clusters_intro.html
http://it.wikipedia.org/wiki/Lunghezza_d’onda
