Radiazione cosmica di fondo

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Mappa della radiazione cosmica di fondo, dopo la rimozione dei contributi dovuti a sorgenti locali e dell'anisotropia di dipolo

Per radiazione cosmica di fondo (abbreviata in CBR, da Cosmic background radiation) si intende generalmente la radiazione omogenea ed isotropa che nella cosmologia moderna è ritenuta essere il residuo termico del Big Bang. Questa radiazione, scoperta nel 1964 da Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson[1] (che per questo motivo ricevettero il Premio Nobel per la Fisica) è più propriamente nota come radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBR, da Cosmic microwave background radiation).

Tale radiazione è caratterizzata da un perfetto spettro di corpo nero, ad una frequenza di 160,2 GHz corrispondente ad una lunghezza d'onda di 1,9 mm, ad una temperatura di 2,726 kelvin e dalla propria estrema uniformità su tutto il cielo: il satellite COBE (1992) e altri esperimenti più recenti (ad esempio l'esperimento BOOMERanG nel 2003 ed il satellite WMAP) hanno mostrato che, le emissioni di parti diverse del cielo differiscono solamente dello 0,0001-0,001%.

Misure di questa precisione sono difficili da effettuare, sia perché è difficile avere uno strumento affidabile entro un errore di poche parti per milione, sia perché il segnale viene "disturbato" da una serie di sorgenti locali (come la nostra galassia) la cui emissione si somma a quella di fondo, sia per via di alcuni effetti come l'anisotropia di dipolo dovuta al fatto che la nostra galassia è in moto rispetto al sistema di riferimento fissato dalla radiazione stessa (la temperatura di una regione verso la quale ci stiamo muovendo ci appare più elevata di quella di una regione dalla quale ci stiamo allontanando). Fino a pochi anni fa le difficoltà strumentali erano di gran lunga il problema maggiore, ma i miglioramenti tecnologici stanno mettendo in luce i limiti delle tecniche con cui si "sottraggono" dal segnale i contributi dovuti alle sorgenti locali (dette di foreground).

Evoluzione dello studio sulla radiazione cosmica di fondo; la fascia orizzontale al centro delle varie immagini è dovuta all'emissione della nostra galassia, che nelle osservazioni si somma alla radiazione di fondo.

Per quanto i dettagli siano oggetto di attente osservazioni in quanto costituiscono un test importante per tutti i modelli cosmologici attuali, l'esistenza della radiazione di fondo è una conseguenza naturale degli scenari che prevedono un Big Bang, tanto che la sua esistenza era stata prevista già negli anni quaranta del XX secolo da George Gamow, Ralph Alpher e Robert Hermann.

Dal punto di vista storico, la scoperta del fondo a microonde (unita ad altre osservazioni dell'epoca riguardo ai quasar) ha segnato la fine della controversia fra i sostenitori del big bang e quelli della teoria cosmologica dello stato stazionario (in particolare Fred Hoyle), mentre ha fornito il punto di partenza per tutte le teorie di formazione delle galassie e più tardi per lo sviluppo dei modelli inflazionari.

Dopo le osservazioni di COBE le ricerche si sono intensificate, portando a risultati interessanti sulle onde sonore che permeavano l'Universo primordiale, prima dell'emissione della radiazione di fondo. L'analisi dello spettro angolare rivela molte informazioni sulla storia dell'universo quando era ancora opaco alla radiazione, ma non alle onde di compressione. La missione Planck dell'ESA, il cui lancio è avvenuto il 14 maggio 2009, mira ad aumentare la risoluzione angolare e la sensibilità delle mappe disponibili, per indagare le strutture di grandezza inferiore a 0,1 gradi.

Indice

[modifica] Scoperta della radiazione cosmica di fondo

Cronologia della scoperta della CMBR
Date e persone importanti
1946 Robert Dicke predisse un radiazione a microonde di fondo ad una temperatura inferiore ai 20K, ma successivamente corretta a 45K
1946 George Gamow stimò una temperatura di 50K
1948 Ralph Alpher e Robert Herman ricalcolarono la stima di Gamow a 5K.
1949 Alpher e Herman modificarono la loro stima a 28K.
anni '60 Robert Dicke cambiò la sua stima della temperatura a 40K
1964 A. G. Doroshkevich e Igor Novikov pubblicarono un articolo in cui affermarono che il segnale di CMBR è rilevabile
anni '60 Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson misurarono una temperatura di circa 3 K

Verso la metà del XX secolo i cosmologi svilupparono due diverse teorie per spiegare la creazione dell'universo. Alcuni supportavano la teoria dello stato stazionario che afferma che l'universo è sempre esistito e continuerà ad esistere senza alcun cambiamento rilevante. Altri credevano nella teoria del Big Bang che afferma che l'universo è stato creato da un evento simile ad un'esplosione circa 13,7 miliardi di anni fa.

A. G. Doroshkevich e Igor Novikov, due astrofici sovietici, pubblicarono un breve articolo sulle possiblità di rilevamento del segnale di radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Background Radiation o CMBR).

Arno Penzias e Robert Wilson nel 1964, presso i Bell Laboratories a Holmdel, New Jersey, lavoravano ad una antenna a tromba di 6 metri ad alta sensibilità originariamente progettata per studiare le riflessione dei segnali dei satelliti Echo della NASA. Per misurare queste debolissime onde radio Penzias e Wilson dovettero eliminare tutte le interferenze riconoscibili dal loro ricevitore. Per fare ciò rimossero gli effetti dei radar e delle trasmissioni radio e eliminaro le interferenza dovute al calore raffreddando il ricevitore stesso con elio liquido alla temperatura di 4K.

Quando i due scienziati analizzarono i dati trovarono un debole, costante e misterioso rumore che persisteva nel ricevitore, era diffuso su tutto il cielo ed era presente giorno e notte. Loro erano certi che la radiazione che misuravano alla lunghezza d'onda di 7,35 centimetri non provenisse ne dalla Terra, ne dal Sole, ne dalla Via Lattea. Dopo aver controllato l'apparato, rimosso alcuni annidamenti di piccioni e pulito gli accumuli di escrementi, il rumore rimase. Penzias e Wilson conclusero che quel rumore provenisse dall'esterno della nostra stessa galassia; non si sarebbero potuti spiegare altrimenti la sorgente di quel segnale.

Allo stesso tempo Robert Dicke, Jim Peebles e David Wilkinson, astrofisici dell'Università di Princeton a soli 60 km di distanza, stavano preparando un esperimento per la ricerca di una radiazione a microonde. Dicke e i suoi colleghi trassero la conclusione che il Big Bang oltre ad aver diffuso la materia, che oggi forma le galassie, deve aver rilasciato un'enorme quantità di radiazione che con un'adeguata strumentazione potrebbe essere rilevata.

Quando un amico disse a Penzias riguardo un'anteprima di articolo di Jim Peebles sulla possibilità di scoprire una radiazione che permea l'universo fin dalla sua nascita, Penzias e Wilson cominciarono a capire l'importanza della loro scoperta. Le caratteristiche della radiazione scoperta da Penzias e Wilson combaciavano con quelle predette da Robert Dicke e colleghi. Penzias chiamò Dicke che gli spedì una copia dell'articolo di Peebles. Penzias dopo aver letto l'articolo richiamò Dicke invitandolo ai Bell Laboratories per ascoltare di persona il rumore di fondo. Robert Dicke, Jim Peebles e David Wilkinson interpretarono quella radiazione come evidenza del Big Bang.

Per evitare possibili conflitti, decisero di pubblicare i loro risultati insieme. Furono mandate due comunicazioni all'Astrophysical Journal. La prima di Dicke e colleghi sottolineando l'importanza della radiazione cosmica di fondo come evidenza del Big Bang. Nella seconda comunicazione, firmata da Penzias e Wilson, loro notificarono l'esistenza di un rumore residuo di fondo possibilmente spiegabile attraverso la teoria di Dicke e colleghi.

Nel 1978 Penzias e Wilson ricevettero il Premio Nobel per la loro scoperta.

[modifica] Anisotropie della CMBR

Spettro di potenza delle anisotropie di temperatura della CMB in termini di scala angolare (o momenti di multipolo). La linea continua mostra l'andamento teorico mentre i punti i dati sperimentali

La radiazione cosmica di fondo presenta un'alta isotropia, indice di una notevole omogeneità del plasma primordiale. Tale omogeneità però non avrebbe portato alla creazione di strutture come galassie e ammassi. La presenza di questi oggetti implica delle anisotropie del plasma. La CMB presenta due tipologie di anisotropie, chiamate primarie e secondarie.

[modifica] Spettro di potenza

Lo strumento matematico che consente di studiare le anisotropie di temperatura è lo sviluppo in armoniche sferiche Ylm(θ,φ) delle variazioni di temperatura ΔT(θ,φ):

\Delta T (\theta,\phi) = \sum_{lm} a_{lm} Y_{lm}(\theta,\phi) \qquad l=1\ldots+\infty; \qquad -l\leq m\leq l;

dove θ e φ sono le coordinate angolari, l=180^\circ/\Delta\theta rappresenta l'ordine di multipolo e alm rappresenta il momento di multipolo relativo ad un dato valore di l e ad uno dei 2l + 1 valori di m. Per questi coefficienti è prevista media nulla \langle a_{lm}\rangle = 0 e varianza C_l\equiv\langle |a_{lm}|^2\rangle diversa da zero. L'insieme dei Cl forma lo spettro di potenza che mostra l'intensità delle armoniche al variare dell'ordine di multipolo. Il fatto che i Cl non dipendano da m implica l'assenza di una direzione privilegiata.

[modifica] Anisotropie primarie

Le anisotropie primarie sono generate nella fase che precede la ricombinazione tra elettroni e nuclei e portano quindi l'informazione del plasma primordiale.

  • Effetto Sachs-Wolfe: causa un redshift gravitazionale ai fotoni della CMB rendendo lo spettro irregolare. Si manifesta a scale angolari superiori ai 10°.
  • Oscillazioni acustiche: sono oscillazioni di densità che si instaurano nel plasma primordiale poiché la pressione di radiazione contrasta il collasso dei barioni a causa dell'auto-gravità. Si manifestano a scale angolari tra 0,1° e 2°.
  • Effetto Doppler: è generato dall'interazione dei fotoni con la materia. Può trattarsi sia di redshift che di blueshift.

[modifica] Anisotropie secondarie

Le anisotropie secondarie hanno origine durante il cammino dei fotoni dalla superficie di ultimo scattering a noi e sono le seguenti:

[modifica] Anisotropia di dipolo

Mappe della CMB registrate dal satellite COBE. La prima in alto mostra l'anisotropia di dipolo, quella centrale l'emissione galattica mentre l'ultima mostra esclusivamente il segnale di CMB.

Questa anisotropia non è di natura intrinseca ma è dovuta al moto del nostro sistema di riferimento (il sistema solare) rispetto al sistema di riferimento della radiazione di fondo che può essere considerato come un sistema in quiete.

Questa anisotropia è di ampiezza maggiore rispetto alle altre ed è ad una temperatura di 3,353±0,024 mK.

[modifica] Polarizzazione della CMBR

Le variazioni di temperature del segnale di fondo cosmico sono conseguenze delle irregolarità nella densità del plasma primordiale durante l'epoca della ricombinazione che hanno modificato l'interazione radiazione-materia nello scattering Thomson generando la polarizzazione. Queste polarizzazioni si generano in presenza di anisotropia di quadrupolo poiché nello scattering Thomson non si ha bilanciamento delle componenti ortogonali del fascio incidente provocando nella radiazione uscente una polarizzazione lineare.

Le anisotropie di quadrupolo hanno ordine di multipolo l = 2 e hanno origini differente a seconda del valore di m:

  • Perturbazioni scalari (m = 0): Le fluttuazioni di densità di energia nel plasma causano un gradiente nella distribuzione della velocità.
  • Perturbazioni vettoriali (m=\pm1): La vorticosità del plasma crea un differente tipo di quadrupolo dovuto allo spostamento Doppler con la velocità. Tale vorticosità sarebbe però stata smorzata durante l'inflazione e ci si aspetta sia trascurabile.
  • Perturbazioni tensoriali (m=\pm2): Le onde gravitazionali modificano lo spazio che contiene i fotoni nelle direzioni ortogonali attraversando il plasma. Inoltre modificano la lunghezza d'onda della radiazione creando anche anisotropie quadrupolari di temperatura.

[modifica] Altre radiazioni di fondo

L'uso del termine radiazione cosmica di fondo per indicare il fondo a microonde è leggermente improprio in quanto esistono altre radiazioni cosmologiche di fondo (ovvero approssimativamente uniformi su tutto il cielo e che hanno origine a distanze cosmologiche) di origini diverse, generalmente osservabili a lunghezze d'onda diverse. Oltre alla radiazione di fondo a microonde esistono, infatti, anche una radiazione di fondo X, una radiazione di fondo infrarossa ed altre ancora.

Tuttavia, a differenza del fondo a microonde, si crede che tutti questi tipi di radiazione di fondo siano originati da una moltitudine di sorgenti che non siamo in grado di distinguere l'una dall'altra, piuttosto che da una radiazione diffusa che permea tutto il volume dell'Universo.

[modifica] Note

  1. ^ A.A. Penzias and R.W. Wilson (1965). A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s . Astrophysical Journal 142: 419–421. DOI:10.1086/148307.

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