VOCI E DOMANDE DELL’ASTROFISICA

Fondo cosmico a microonde, la luce “fossile”

Sono i fotoni più antichi che potremo mai sperare di vedere, risalenti a circa 380mila anni dopo il Big Bang. La loro mappa è la foto dell’universo neonato, ha già fatto vincere quattro premi Nobel e permette di stimare la quantità di materia ed energia oscure presenti nel cosmo

Mappa delle anisotropie del fondo cosmico a microonde viste dal satellite dell’Esa Planck. Crediti: Esa e Planck Collaboration

Il fondo cosmico a microonde (Cmb, dall’inglese cosmic microwave background) è una radiazione elettromagnetica che permea l’intero universo, proveniente dall’epoca della ricombinazione, quando i primi atomi poterono formarsi dal plasma primordiale e l’universo divenne trasparente alla luce. Per dare un’idea di come il Cmb sia il fossile più antico che abbiamo a disposizione per studiare l’universo, si pensi che un fotone riflesso dalla superficie lunare impiega solo un secondo a raggiungerci, mentre il fotone debolmente polarizzato dalla ricombinazione impiega ben 13.8 miliardi di anni.

Il Cmb è stato al centro di svolte fondamentali nella cosmologia. La sua scoperta, avvenuta per caso da parte di due ricercatori dei Bell Laboratories nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson, e insignita del premio Nobel per la fisica nel 1978, confermò che l’universo si espanse raffreddandosi dal suo stato primordiale ad alta densità. All’inizio degli anni Novanta, grazie alle osservazioni del satellite Nasa Cobe, due ulteriori aspetti del Cmb furono compresi. Furono scoperte anisotropie nel Cmb in una parte su 10mila, su scale angolari circa maggiori di circa 10 gradi, legate alle perturbazioni primordiali di densità che attraverso l’instabilità gravitazionale diedero origine alle strutture cosmiche che osserviamo. Lo spettro di corpo nero del Cmb fu accuratamente misurato, dimostrando l’equilibrio termico della radiazione con il plasma primordiale prima della ricombinazione. Per questi risultati ottenuti, John Mather e George Smoot ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 2006.

Negli ultimi 25 anni, numerosi strumenti da terra, da pallone – tra i quali Boomerang – e dallo spazio – come i satelliti Wmap e Planck – hanno misurato accuratamente le anisotropie del Cmb fino a scale angolari di qualche arcominuto, dandoci la determinazione attualmente più precisa, all’ordine del per cento, dei parametri cosmologici che caratterizzano i costituenti e l’evoluzione dell’universo. Grazie a queste misure, sappiamo che il nostro universo è composto da materia ed energia oscura per un 95 per cento e da materia ordinaria per il restante 5 per cento, ha una geometria spaziale piatta ed è in accordo con le predizioni della teoria dell’inflazione, che descrive una fase di espansione accelerata in cui le perturbazioni primordiali di densità furono generate da fluttuazioni quantistiche.

Studi in corso e domande aperte

Sebbene due premi Nobel siano già stati assegnati, il Cmb è tuttora una miniera di informazioni per la cosmologia e la fisica fondamentale. Una misura sempre più accurata delle anisotropie in polarizzazione del Cmb – più piccole di quelle in temperature di almeno un ordine di grandezza – rimane una delle frontiere in questo campo. Da una misura più accurata del modo E in polarizzazione, rivelato per la prima volta dallo strumento Desi al Polo Sud nel 2002, si potrà sapere come si sviluppò l’era della reionizzazione o caratterizzare meglio le proprietà della materia oscura. Il modo B di polarizzazione è invece prodotto da onde gravitazionali generate durante l’inflazione, di una lunghezza d’onda nove ordini di grandezza più grande di quelle rivelate da Ligo e generate dalla collisione di buchi neri.

13,8 miliardi di anni è l’età dell’universo calcolata a partire dai dati del fondo cosmico a microonde raccolti dal satellite dell’Esa Planck

La rivelazione di questo segnale primordiale in polarizzazione ci aprirebbe una finestra sulla scala di energia a cui avvenne l’inflazione, almeno undici ordini di grandezza più grande di quella sondata al Large Hadron Collider del Cern e completamente inaccessibile anche ad acceleratori di futura generazione. Per questi motivi, la ricerca delle anisotropie del modo B generato dalle onde gravitazionali inflazionarie è il principale caso scientifico dei programmi osservativi di anisotropie di Cmb di prossima generazione. Un altro programma osservativo di grande interesse prevede una misura dello spettro del Cmb con una sensibilità di ordini di grandezza migliore di quella effettuata dello strumento Firas a bordo di Cobe del 1992. Una sensibilità del genere rivelerebbe le distorsioni spettrali indotte dalla formazione delle prime stelle e sarebbe di complemento alle misure di anisotropie in vari studi.

Il coinvolgimento dell’Istituto nazionale di astrofisica

Il principale contributo dei ricercatori dell’Inaf allo studio del CMB è stato il lavoro – di gestione dello strumento, sperimentale, di analisi e interpretazione dati – svolto per il satellite dell’Esa Planck: una missione lanciata nel 2009 e terminata nel 2013 con a bordo due strumenti dei quali uno, il Low Frequency Instrument (Lfi), sotto la responsabilità diretta dell’Inaf.


L’autore: Fabio Finelli è ricercatore Inaf all’Istituto di astrofisica spaziale di Bologna

Su Media Inaf potrai trovare, mano a mano che verranno pubblicate, tutte le schede della rubrica dedicata a Voci e domande dell’astrofisica, scritte dalle ricercatrici e dai ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.