Il 95 per cento di tutto ciò che esiste nell’universo è, a oggi, sconosciuto. Secondo il modello cosmologico oggi più accreditato, il Lambda-Cdm, il 25 per cento di questo è costituito da materia oscura – materia la cui natura è ignota e che interagisce con la materia che conosciamo solo attraverso la forza di gravità – e il 70 per cento circa è energia oscura – l’energia responsabile dell’espansione dell’universo. Entità sconosciute che, per quanto plausibili a livello teorico, restano a oggi solo ipotesi.
Diagramma concettuale dell’indeterminatezza di fase di 180 gradi che si verifica quando si misura l’angolo di rotazione della birifrangenza cosmica. La luce (rappresentata dai circoletti gialli nel diagramma) possiede una direzione chiamata polarizzazione (mostrata come linee rosse nel diagramma). Il fenomeno per cui questa direzione ruota durante la propagazione della luce è chiamato “birifrangenza cosmica”. Poiché i ricercatori possono osservare solo lo stato attuale, non sono in grado di distinguere tra tutti gli stati rappresentati nel diagramma. Crediti: Naokawa, Namikawa, higgstan.com
Fra le fonti d’informazione preferite dagli studiosi di cosmologia c’è la radiazione cosmica di fondo (Cmb), l’eco della prima luce che si è diffusa liberamente nell’universo circa 380mila anni dopo il Big Bang. Una radiazione che si è propagata in tutte le direzioni e ha viaggiato per miliardi di anni. A causa dell’espansione dell’universo che ne ha allungato la lunghezza d’onda, oggi risulta visibile nelle microonde. È una radiazione che contiene informazioni cruciali sui primi istanti di vita dell’universo, tanto da essere spesso apostrofata come “eco del Big Bang”. Il modo in cui questa luce si è propagata e gli effetti che ha subito nel suo lunghissimo cammino possono dire molto sulla fisica che regola l’universo e sulla necessità, ad esempio, di modificare le leggi che conosciamo.
Uno studio guidato da Fumihiro Naokawa dell’Università di Tokyo, pubblicato la settimana scorsa su Physical Review Letters, indaga per la prima volta un aspetto fondamentale della polarizzazione della luce della Cmb – un fenomeno noto come birifrangenza cosmica – proponendo un metodo per comprendere meglio se questa si sia modificata nel tempo. Uno studio complicato e che solo pochi, anche fra astronomi e cosmologi, hanno l’ardire di capire fino in fondo. Per provarci, abbiamo chiesto aiuto ad Alessandro Gruppuso, ricercatore all’Inaf di Bologna non direttamente coinvolto nell’articolo ma responsabile dello studio della birifrangenza cosmica per LiteBird, il prossimo satellite dedicato all’osservazione della Cmb.
Cominciamo definendo il fenomeno fisico alla base della birifrangenza: la polarizzazione della luce. Per visualizzarlo, dobbiamo immaginare la luce – un’onda elettromagnetica – come un’onda che oscilla mentre viaggia nello spazio. Se questa oscillazione avviene lungo una direzione fissa, allora diciamo che la luce è polarizzata linearmente.
«La birifrangenza cosmica è un fenomeno ipotetico capace di ruotare l’orientamento di questa oscillazione», spiega Gruppuso. «Secondo l’elettromagnetismo standard (ovvero le equazioni di Maxwell) la luce nel vuoto mantiene costante la direzione di questa oscillazione durante la propagazione. Se parte con un’oscillazione verticale, ad esempio, arriverà a destinazione mantenendola uguale. Per questo motivo, secondo la fisica che conosciamo, l’effetto di birifrangenza cosmica non dovrebbe esistere. Pertanto, misurare una rotazione diversa da zero – anche piccolissima – sarebbe la prova dell’esistenza di nuova fisica: campi o particelle ignote che interagiscono con l’onda elettromagnetica durante il suo cammino. Questi nuovi oggetti fisici potrebbero essere proprio i costituenti della materia oscura o dell’energia oscura».
Ora, una parte della Cmb è polarizzata linearmente, il che la rende un’osservabile ideale per studiare questo fenomeno, poiché un minuscolo effetto di birifrangenza cosmica potrebbe diventare osservabile se accumulato su distanze cosmologiche. Un po’ come se volessimo misurare la deviazione di un proiettile dalla sua linea retta dopo essere sparato: osservare la traiettoria dopo un metro o dopo dieci km fa tutta la differenza, perché variazioni impercettibili vengono amplificate dalla distanza percorsa. Alcune misure recenti del satellite Planck e dell’Atacama Cosmology Telescope (Act) hanno effettivamente misurato un angolo di birifrangenza diverso da zero, di circa 0.3-0.2 gradi, con una significatività statistica di 3 sigma.
«La significatività di queste misure è buona ma non siamo ancora alla soglia statistica critica di 5 sigma richiesta per decretare la scoperta», ricorda Gruppuso. «È però molto interessante che due strumenti differenti forniscano risultati compatibili tra loro entro le incertezze. Comunque l’interesse per il fenomeno è altissimo e missioni future – come ad esempio il satellite LiteBird della Jaxa, a cui l’Italia partecipa con Asi, Infn, Inaf e alcuni atenei – avranno il compito di confermare o smentire questi segnali oltre allo scopo primario di osservare l’effetto delle onde gravitazionali primordiali sulla Cmb».
E veniamo al cuore del nuovo studio. Per la prima volta, gli autori hanno affrontato un problema geometrico intrinseco alla misura della birifrangenza, e che non riguarda l’incertezza della misura.
«Si tratta del problema della periodicità di un angolo: se misuriamo un angolo, in realtà non possiamo escludere che la rotazione abbia compiuto più giri completi prima di essere osservato. L’articolo suggerisce nuovi metodi per capire esattamente quanti “giri” ha compiuto la polarizzazione lineare della luce prima di essere osservato: si tratta di un aspetto interessante per avere un quadro completo del fenomeno».
Il problema sollevato dagli autori, in pratica, equivale a chiedersi che giorno sia guardando semplicemente le lancette di un orologio. Impossibile. Per determinare la data è necessario sapere quante volte le lancette hanno ruotato da una data e un’ora di riferimento specifiche. In termini scientifici, una situazione come quella delle lancette di questo orologio, in cui l’osservazione dello stato attuale non consente di determinare quante rotazioni si siano verificate in passato, è detta ad ambiguità di fase di 360 gradi. Riportando questo ragionamento alla birifrangenza, dire se l’angolo misuri 0,3 gradi o 360+0,3 non è semplice, se non si trova un riferimento opportuno.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno proposto un modo per risolvere questa ambiguità, dopo aver scoperto che la forma del segnale usato per misurare la birifrangenza può codificare informazioni sul numero di rotazioni subite dalla direzione di polarizzazione. Non solo: un altro articolo pubblicato lo stesso giorno, sempre da Fumihiro Naokawa e sempre su Physical Review Letters, prende in esame alcuni approcci per ridurre gli errori sistematici dei telescopi durante l’osservazione della birifrangenza cosmica, proponendo un nuovo metodo per confermare il fenomeno utilizzando specifici oggetti celesti, come le radio galassie alimentate da buchi neri supermassicci, che potrebbero aiutare i futuri ricercatori a scoprire la natura dell’energia oscura.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “nπ phase ambiguity of cosmic birefringence“, di Fumihiro Naokawa, Toshiya Namikawa, Kai Murai, Ippei Obata e Kohei Kamada
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Universal Profile for Cosmic Birefringence Tomography with Radio Galaxies”, di Fumihiro Naokawa