Qual è lo sfondo cosmico a microonde?

Il fondo cosmico a microonde (CMB) è la radiazione residua del Big Bang o del momento in cui è iniziato l'universo. Secondo la teoria, quando l'universo è nato ha subito una rapida inflazione, espansione e raffreddamento. (L'universo è ancora in espansione oggi e il tasso di espansione appare diverso a seconda di dove guardi). Il CMB rappresenta il calore residuo del Big Bang.

Non puoi vedere il CMB ad occhio nudo, ma è ovunque nell'universo. È invisibile agli esseri umani perché fa così freddo, appena 2,725 gradi sopra lo zero assoluto (meno 459,67 gradi Fahrenheit, o meno 273,15 gradi Celsius). Ciò significa che la sua radiazione è più visibile nella parte a microonde dello spettro elettromagnetico.

Secondo la NASA, CMB riempie l'universo e nei giorni precedenti la TV via cavo ogni famiglia con la televisione poteva vedere gli ultimi bagliori del Big Bang (si apre in una nuova scheda). Ruotando il televisore su un canale "intermedio", potresti vedere il CMB come un segnale statico sullo schermo.

Come si è formato lo sfondo cosmico a microonde?

L'universo è iniziato 13,8 miliardi di anni fa e la CMB risale a circa 400.000 anni dopo il Big Bang. Questo perché nelle prime fasi dell'universo, quando era solo centomilionesimo delle dimensioni che ha oggi, la sua temperatura era estrema: 273 milioni di gradi sopra lo zero assoluto (si apre in una nuova scheda), secondo la NASA.

Tutti gli atomi presenti in quel momento furono rapidamente scomposti in piccole particelle (protoni ed elettroni). La radiazione della CMB nei fotoni (particelle che rappresentano i quanti di luce o altre radiazioni) è stata dispersa dagli elettroni. "Così, i fotoni vagavano attraverso l'universo primordiale, proprio come la luce ottica vaga attraverso una fitta nebbia", ha scritto la NASA.

Circa 380.000 anni dopo il Big Bang, l'universo era abbastanza freddo da consentire la formazione di idrogeno. Poiché i fotoni CMB sono appena colpiti dall'impatto con l'idrogeno, i fotoni viaggiano in linea retta. I cosmologi si riferiscono a una "superficie dell'ultimo scattering" quando i fotoni CMB colpiscono l'ultima volta la materia; dopo di che, l'universo era troppo grande. Quindi, quando mappiamo la CMB, guardiamo indietro nel tempo a 380.000 anni dopo il Big Bang, subito dopo che l'universo era opaco alle radiazioni.

Robert Wilson ha scoperto la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) nel 1964 insieme ad Arno Penzias, mettendo la teoria del Big Bang su basi solide. Wilson e Penzias hanno vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1978 per la scoperta. (Hanno condiviso il premio con lo scienziato sovietico Pyotr Kapitsa.) (Credito immagine: Clive Grainger (CfA))

Chi ha scoperto lo sfondo cosmico a microonde?

Il cosmologo americano Ralph Apher ha predetto per la prima volta la CMB nel 1948, quando stava lavorando con Robert Herman e George Gamow, secondo la NASA. Il team stava conducendo ricerche relative alla nucleosintesi del Big Bang, o alla produzione di elementi nell'universo oltre all'isotopo (tipo) più leggero dell'idrogeno. Questo tipo di idrogeno è stato creato molto presto nella storia dell'universo.

Ma il CMB è stato trovato per la prima volta per caso. Nel 1965, due ricercatori dei Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias e Robert Wilson) stavano creando un ricevitore radio e rimasero perplessi dal rumore che stava captando. Presto si resero conto che il rumore proveniva uniformemente da tutto il cielo. Allo stesso tempo, un team dell'Università di Princeton (guidato da Robert Dicke) stava cercando di trovare il CMB. Il team di Dicke venne a conoscenza dell'esperimento Bell e si rese conto che il CMB era stato trovato.

Entrambi i team pubblicarono rapidamente articoli sull'Astrophysical Journal nel 1965, con Penzias e Wilson che parlavano di ciò che avevano visto e il team di Dicke che spiegava cosa significa nel contesto dell'universo. (Più tardi, Penzias e Wilson ricevettero entrambi il Premio Nobel per la fisica nel 1978).

Cosa ci dice lo sfondo cosmico a microonde?

Un'immagine della radiazione cosmica di fondo a microonde, scattata dal satellite Planck dell'Agenzia Europea per il Web (ESA) nel 2013, mostra le piccole variazioni nel cielo. (Credito immagine: ESA e Planck Collaboration) (si apre in una nuova scheda)

Il CMB è utile agli scienziati perché ci aiuta a imparare come si è formato l'universo primordiale. Ha una temperatura uniforme con solo piccole fluttuazioni visibili con telescopi precisi. "Studiando queste fluttuazioni, i cosmologi possono conoscere l'origine delle galassie e le strutture di galassie su larga scala e possono misurare i parametri di base della teoria del Big Bang", ha scritto la NASA.

Mentre parti del CMB sono state mappate nei decenni successivi alla sua scoperta, la prima mappa del cielo intero basata sul Web di This Web proveniva dalla missione Cosmic Background Explorer (COBE) della NASA, che è stata lanciata nel 1989 e ha cessato le operazioni scientifiche nel 1993. Questo "bambino picture" dell'universo (si apre in una nuova scheda), come lo chiama la NASA, ha confermato le previsioni della teoria del Big Bang e ha anche mostrato accenni di struttura cosmica che non erano mai stati visti prima. Nel 2006, il Premio Nobel per la fisica è stato assegnato agli scienziati COBE John Mather presso il Goddard This Web Flight Center della NASA e George Smoot presso l'Università della California, Berkeley.

Una mappa più dettagliata è arrivata nel 2003 per gentile concessione della Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), lanciata nel giugno 2001 e che ha interrotto la raccolta di dati scientifici nel 2010. La prima immagine indicava l'età dell'universo a 13,7 miliardi di anni (si apre in una nuova scheda) (a misurazione da allora raffinata a 13,8 miliardi di anni) e ha anche rivelato una sorpresa: le stelle più antiche hanno iniziato a brillare circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang, molto prima del previsto.

La radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) ci dice l'età e la composizione dell'universo e solleva nuove domande a cui è necessario rispondere. Guarda come funziona lo sfondo cosmico a microonde e può essere rilevato qui. (Credito immagine: Karl Tate, artista di infografica di Web.com)

Gli scienziati hanno seguito questi risultati studiando le primissime fasi di inflazione dell'universo (nel trilionesimo secondo dopo la formazione (si apre in una nuova scheda)) e fornendo parametri più precisi (si apre in una nuova scheda) sulla densità dell'atomo, il grumo dell'universo e altri proprietà dell'universo poco dopo la sua formazione. Hanno anche visto una strana asimmetria nelle temperature medie in entrambi gli emisferi del cielo e un "punto freddo" più grande del previsto. Il team WMAP ha ricevuto il Breakthrough Prize 2018 in Fundamental Physics per il loro lavoro.

Nel 2013 sono stati rilasciati (si apre in una nuova scheda) i dati del telescopio Planck This Web della European This Web Agency, che mostrano l'immagine della CMB con la più alta precisione mai realizzata. Gli scienziati hanno scoperto un altro mistero con queste informazioni: le fluttuazioni nella CMB su grandi scale angolari non corrispondevano alle previsioni. Planck ha anche confermato ciò che WMAP ha visto in termini di asimmetria e punto freddo. Il rilascio dei dati finali di Planck nel 2018 (la missione operata tra il 2009 e il 2013) ha mostrato ulteriori prove dell'esistenza di forze misteriose di materia oscura ed energia oscura che sono probabilmente dietro l'accelerazione dell'universo.

Altri sforzi di ricerca hanno tentato di esaminare diversi aspetti del CMB. Uno sta determinando i tipi di polarizzazione chiamati E-mode (scoperti dal Degree Angular Scale Interferometer con sede in Antartide nel 2002) e B-mode. Le modalità B possono essere prodotte dalla lente gravitazionale delle modalità E (questa lente è stata vista per la prima volta dal telescopio del polo sud (si apre in una nuova scheda) nel 2013) e dalle onde gravitazionali (che sono state osservate per la prima volta nel 2016 utilizzando l'onda gravitazionale dell'interferometro laser avanzato Osservatorio, o LIGO). Nel 2014, si diceva che lo strumento BICEP2 con sede in Antartide avesse trovato i modi B delle onde gravitazionali, ma un'ulteriore osservazione (incluso il lavoro di Planck) ha mostrato che questi risultati erano dovuti alla polvere cosmica.

A metà del 2018, gli scienziati stanno ancora cercando il segnale che ha mostrato un breve periodo di rapida espansione dell'universo subito dopo il Big Bang. A quel tempo, l'universo stava diventando più grande a una velocità superiore alla velocità della luce. Se ciò accadesse, i ricercatori sospettano che ciò dovrebbe essere visibile nella CMB attraverso una forma di polarizzazione. Uno studio di quell'anno ha suggerito che il bagliore dei nanodiamanti crea una luce debole, ma distinguibile, che interferisce con le osservazioni cosmiche. Ora che questo bagliore è stato tenuto in considerazione, le indagini future potrebbero rimuoverlo per cercare meglio la debole polarizzazione nella CMB, hanno affermato gli autori dello studio all'epoca.

Lettura aggiuntiva

Se vuoi saperne di più sullo sfondo cosmico delle microonde e sul Big Bang, dai un'occhiata a questo corso gratuito (si apre in una nuova scheda) con la Open University. Puoi esplorare lo strano "punto freddo" nello sfondo cosmico a microonde in modo più dettagliato con questo articolo di Physics World (si apre in una nuova scheda) e il sito Web Planck del Regno Unito (si apre in una nuova scheda) ti consente di sfogliare le mappe del cielo create da il telescopio Planck This Web.

Bibliografia

  • Ashtekar, Abhay, et al. "Alleviare la tensione nel fondo cosmico a microonde usando la fisica su scala di Planck (si apre in una nuova scheda)." Lettere di revisione fisica 125.5 (2020): 051302.
  • Choi, Steve K., et al. "The Atacama Cosmology Telescope: a measure of the Cosmic Microwave Background power spectra at 98 and 150 GHz. (opens in new tab)" Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2020.12 (2020): 045.
  • Pospelov, Maxim, et al. "Spazio per la nuova fisica nella coda Rayleigh-Jeans dello sfondo cosmico a microonde (si apre in una nuova scheda)". Lettere di revisione fisica 121.3 (2018): 031103.
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