Un caffè col fisico

La radiazione di fondo cosmica a microonde (parte seconda)

0
Like

Benvenuti nell’ultima rubrica del 2013!

Oggi vi racconto qualcosa in più riguardo la radiazione cosmica di fondo, di cui vi ho introdotto le caratteristiche Domenica scorsa.

Il “suono” dell’Universo passato

Per riprendere il filo del discorso, vi ricordo che questa radiazione è composta da luce proveniente da 300 mila anni dopo il Big Bang, quando l’Universo diventò neutro, lasciando tutti i fotoni presenti a quell’era senza particelle con cui interagire, visto che essi interagiscono solo con particelle cariche.

Tali fotoni ci giungono oggi con una certa lunghezza d’onda, come si dice “red-shiftata”, cioè allungata, dall’espansione dell’Universo. Questo implica che se anche  possedevano un’alta energia quando sono partiti, oggi ci arrivano con energia molto bassa, costituendo la temperatura nello spazio vuoto dell’Universo, pari a 2,7 gradi Kelvin, cioè circa 270 gradi Celsius sotto zero.

Questa radiazione di fotoni proviene da tutte le direzioni del cielo, da cui il termine “radiazione di fondo”: se lo pensassimo come un suono e non come una luce, sarebbe un flebile suono che udiamo ogni giorno provenire da tutte le direzioni, ovunque andiamo.

E non sono il primo a fare tale paragone, visto che alcuni scienziati hanno effettivamente ricreato il “rumore” di questa radiazione, di cui un esempio qui.

La storia della mappa dei fotoni: ma non doveva essere omogenea?

Ora, in immagine di copertina vi ho messo una strana immagine colorata: quella è la versione più recente della radiazione cosmica di fondo, dove ai colori sono associate diverse temperature.

“Ma non ci hai detto che è una radiazione costante in tutte le direzioni? Perché ci sono diversi colori se la temperatura è sempre costante a 2.7 K?”

Grazie della domanda, perché è il punto cruciale del perché tale radiazione sia tanto importante.

Qui di seguito avete una sequenza di immagini che vi mostra le diverse misurazioni negli anni di tale radiazione,

cmbhistory

a partire da quella effettuata da Penzias e Wilson, e le successive missioni spaziali specificatamente disegnate per misurare tale radiazione, che si sono decisamente affinate con gli anni, sopratutto con la missione Planck, di cui le immagini più recenti (come quella in copertina e qui sotto) sono datate Luglio 2012.

planck_cmb

Dunque, perché l’immagine è diventata così granulosa?

Il punto è che, con l’affinarsi degli esperimenti, si è scoperto che ci sono delle piccolissime variazioni di temperatura a seconda di dove si guardi il cielo: per esempio, nella misurazione di Planck, le variazioni sono dell’ordine delle decine di microgradi, significa che se la temperatura media è di 2,7 K, le variazioni sono attorno ai 0,00001 K. Le parti rosse sono quelle più calde, quelle blu quelle più fredde.

Queste piccolissime variazioni di temperatura sono dovute alla situazione in cui si trovava l’Universo ai tempi della “fuggita” dei fotoni: in particolare ci dicono che l’Universo non era perfettamente omogeneo, ma anzi vi erano delle parti più dense e delle parti meno dense.

Questi sono i segnali più antichi, e i più vecchi che potremo mai avere perché prima di questa “neutralizzazione” l’Universo era opaco, del momento in cui la materia si inizia ad addensare per poi, miliardi di anni dopo, formare le strutture che caratterizzano il nostro Universo come le Galassie e via dicendo. Dunque il modo con cui sono distribuite le differenze di temperatura ci fornisce una quantità enorme di informazioni che dobbiamo cercare di interpretare.

Certo, interpretare tali segnali richiede un’idea molto chiara del modello dell’Universo, perché bisogna saper modellizzare il percorso che ha fatto il fotone dal momento in cui è partito al momento in cui è arrivato a noi,

photon

oltre al fatto che ci sono delle difficoltà enormi per la misurazione di tale segnale: pensate a quante cose ci siano nell’Universo che emettano luce! E’ come cercare di sentire i passetti di un bambino in mezzo a una piazza di gente che urla.

Per darvi un’idea, la sola nostra Galassia è completamente come si suol dire “in mezzo alle balle”, come potete vedere da questa immagine (i colori sono diversi da prima) in cui la fascia orizzontale centrale è la luce proveniente appunto dalla nostra cara via Lattea

planckunmasked

Quello che si fa dunque, tra le altre cose, è applicare delle “maschere” a tali mappe del cielo che nascondano tutti gli effetti indesiderati.

Non voglio prolungarmi oltre sull’argomento che richiederebbe (o richiederà?) milioni di anni per essere approfondito come si deve.

Un piccolo regalo di Natale: il problema dell’orizzonte cosmologico

Quello che farò però per concludere è di lasciarvi con un problema che pone questa radiazione cosmica di fondo, conosciuto da tantissimi anni e che portò alla formulazione dei modelli di “inflazione cosmologica” che cercano di spiegare la storia dell’Universo prima che questa radiazione di fondo fosse prodotta.

Considerate questo fatto: la radiazione, a parte come ho detto piccolissime variazioni, risulta molto omogenea su tutto il cielo.

Questo, unito al fatto che si supponga ci sia stato un “momento iniziale” da cui tutto è partito, detto Big Bang, crea un importantissimo problema concettuale, riassunto nel grafico qui sotto

horizon

E a parole si può dire: come è possibile che due fotoni di luce che non sono mai stati in contatto causale tra loro, o in parole povere non si sono mai parlati, toccati, visti nella storia dell’Universo, abbiano la stessa temperatura?

“Perché non si sono mai parlati? Erano arrabbiati?”

No, semplicemente non ne hanno avuto il tempo! Se c’è stato un Big Bang, la storia passata di ciascun fotone è finita, dunque è possibile che due fotoni non siano mai stati abbastanza vicini da poter condividere la stessa storia!

E’ più o meno come se faccessimo partire 10 corridori identici tra loro dal Polo Sud facendogli prendere direzioni diverse e facendoli correre sempre in linea retta e tutti alla stessa velocità.

Questi dopo un (bel) po’ raggiungono tutti insieme nello stesso momento il Polo Nord (nell’approssimazione in cui la Terra sia una sfera perfetta), ma durante il viaggio non si sono mai incrociati, dunque non possono sapere niente l’uno dell’altro riguardo alle caratteristiche del viaggio.

Ogni corridore avrà sperimentato un viaggio diverso, dunque se anche erano partiti uguali, la loro storia sarà diversa.

Allo stesso modo, non possiamo in alcun modo spiegare per quale strano motivo tutti i fotoni abbiano esattamente la stessa temperatura (a meno di piccolissime variazioni), a meno di non assumere delle condizioni iniziali del Big Bang molto molto molto poco probabili!

E’ il cosidetto “problema dell’orizzonte cosmologico” che insieme ad altri due o tre “problemucci” ha dato origine alla teoria di inflazione che, non solo risolve tali problemi, ma è anche in grado di predire e dare motivazione della mappa della radiazione di fondo che osserviamo!

Di questo ve ne parlerò… il prossimo anno!

geneve

Saluti da Ginevra!

 

 

Vuoi scrivere un commento?
Effettua la registrazione da questo link:

Registrati

MORE FROM MATTEO BIAGETTI

ENTRA NELLA COMMUNITY