Il cielo a tutte le frequenze
Il cielo nelle microonde
Nello spazio esistono in regioni particolarmente fredde in cui possono accumularsi particolari molecole che favoriscono l’emissione stimolata in questa banda di energia, in particolare queste molecole quando raggiunte dalla radiazione stellare possono assumere uno stato eccitato con popolazione statistica invertita stimolando l’emissione alla frequenza delle microonde. In tal caso osserviamo l’effetto maser. L’emissione nelle microonde dal cielo è però caratterizzata soprattutto dalla radiazione di fondo cosmica, scoperta per caso da Arno Penzias e Robert Wilson che stavano conducendo una serie di osservazioni diagnostiche usando un nuovo ricevitore a microonde di proprietà dei Bell Laboratories (che era progettato per le normali comunicazioni telefoniche). Essi scoprirono accidentalmente la radiazione cosmica di fondo predetta originariamente da Gamow. Penzias e Wilson non si resero conto di cosa avevano scoperto finché non contattarono il gruppo di Peebles dell’università di Princeton. I loro risultati osservativi e teorici vennero pubblicati poco a pocco sull’Astrophysical Journal.
La scoperta fornì una conferma sostanziale delle predizioni sulla radiazione di fondo (anche se i valori erano inaccurati e dovettero essere corretti), e spostarono le preferenze della comunità scientifica verso la teoria del Big Bang. A Penzias e Wilson venne assegnato nel 1978 il Premio Nobel per la Fisica per la loro scoperta. . Nella teoria del Big Bang, nell’universo primordiale la densità di materia era così elevata da impedire la propagazione della radiazione. Soltanto dopo 300000 anni la densità è calata sufficientemente da consentire la propagazione della radiazione elettromagnetica. Poiché l’universo aveva a quell’epoca una temperatura di 2730 °K, emetteva radiazione di corpo nero alla temperatura di 2730 °K. L’espanzione cosmica ha spostato la frequenza di emissione facendoci apparire tale radiazione come quella di un corpo a 2,73 °K corrispondente ad un’emissione quasi uniforme in tutto il cielo nelle microonde.
Breve storia dell’astronomia nelle microonde
Fino agli anni 40 vennero espresse congetture piuttosco confuse e irreali a riguardo dell’emissione nella banda delle radioonde da parte di alcune sorgenti celesti. I lavori approfonditi di Jeans sul collasso stellare vennero affiancati dalle predizioni di Dicke dello spettro di emissione delle nursery stellari. In particolare, nel 1946, Dicke mise in evidenza come gli involucri gassosi dai quali nasceranno le stelle abbiano temperatura inferiore ai 20 °K, cosa che dovrebbe fare emettere un picco di emissione nella banda delle microonde. Due anni più tardi Herman stimò la temperatura dell’universo in appena 5 °K, valore che apparve assurdo per quell’epoca a tutta la comunità scientifica.
La teoria del Big Bang, sviluppata in quegli stessi anni, aveva previsto un’emissione di fondo cosmica. Secondo il modello, quando tutta la massa/energia dell’Universo è emersa dall’esplosione primordiale, la densità iniziale dell’Universo doveva essere stata incredibilmente alta. Poiché la materia si raffredda quando diventa meno densa, anche la temperatura doveva essere estremamente alta. In effetti, la temperatura delle prime fasi dell’Universo doveva essere così alta che la materia come la conosciamo non poteva esistere, perché le particelle elementari erano troppo energetiche per potersi legare in atomi. Col tempo, mentre la temperatura dell’Universo scendeva, forme più familiari di materia sarebbero emerse dal plasma primordiale. Ad un certo punto (al momento si pensa che corrisponda a circa 500.000 anni dopo l’inizio) la temperatura sarebbe scesa sotto i 3000 kelvin (2727°C). Sopra questa temperatura gli elettroni e i protoni sono separati, rendendo l’Universo opaco alla luce. Sotto i 3000 K, gli atomi si formano, permettendo alla luce di propagarsi. La teoria del Big Bang prevede dunque che se uno guarda abbastanza lontano nello spazio, e perciò abbastanza indietro nel tempo, vedrà la radiazione a 3000 kelvin, originantesi dquando l’universo è diventato trasparente, spostata, a causa del red-shift cosmologico, alla temperatura molto più bassa di 2,7 °K.
Come già accennato, nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson usando un nuovo ricevitore a microonde di proprietà dei Bell Laboratories scoprirono accidentalmente la radiazione cosmica di fondo, che apparve del tutto isotropa. Nel 1989, la NASA lanciò il satellite Cosmic Background Explorer (COBE). La missione fu un successo: dopo aver trovato che (in perfetto accordo con le previsioni teoriche) la radiazione di fondo ha uno spettro di corpo nero ad una temperatura di 2.726 kelvin, nel 1992 furono anche pubblicate le mappe della radiazione di fondo ottenute da COBE, che per la prima volta rivelavano variazioni spaziali dell’emissione. La misurazione di queste piccole variazioni (comprese fra lo 0.0001% e lo 0.001% del valore medio, su scale angolari di diversi gradi) si è dimostrata fondamentale per la successiva evoluzione della Cosmologia, tanto che COBE è stato seguito da una lunga serie di esperimenti (Boomerang, WMAP e in futuro Planck, per citare solo i più importanti) per misurare con maggiore dettaglio le proprietà della CMBR, in particolare il suo spettro angolare e la sua polarizzazione. Due dei principali ideatori e realizzatori di COBE, John C. Mather e George F. Smoot, hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica del 2006 per i risultati conseguiti dal satellite.
Leggi la "breve storia di COBE"
Il 30 giugno 2001 venne lanciato il satellite WMAP, un’altro passo in avanti per la comprensione della radiazione di fondo cosmica. La missione di WMAP è mappare le minuscole deviazioni nella radiazione cosmica di fondo, per aiutare a mettere alla prova le teorie sulla natura dell’universo. WMAP è il successore di COBE, la "W" in WMAP è in omaggio al Dott. David Wilkinson, un membro della squadra e pioniere nello studio della radiazione cosmica di fondo, per la buona riuscita dell’impresa è fondamentale che WMAP sia in grado di misurare la radiazione ad alta risoluzione angolare e sensibilità. Infatti, WMAP ha mappato la temperatura della radiazione cosmica di fondo con una risoluzione angolare di circa 0.3° con artefatti limitati a 5 µK per pixel. Per realizzare questi obiettivi, WMAP ha usato radiometri differenziali per microonde che misurano le differenze di temperatura tra due punti del cielo. WMAP ha lavorato dal Punto di Lagrange L2 dell’orbita Sole-Terra, a 1.5 milioni di km dalla Terra. Questo punto ha il vantaggio di offrire un ambiente eccezionalmente stabile per osservare il cielo, il satellite può sempre guardare lontano dal Sole, dalla Terra e dalla Luna, ottenendo una visuale non ostruita sullo spazio profondo.
Nel 2003 vennero resi noti i risultati di WMAP che
- L’universo ha 13.7 miliardi di anni (con un margine d’errore dell’1% )
- L’universo è misura almeno 78 miliardi di anni luce.
- L’universo è composto per il 4% da materia nota, per il 23% di un tipo ignoto (materia oscura) e per il 73% da una misteriosa energia oscura.
- Gli scenari cosmologici di inflazione cosmica sono in accordo con le osservazioni.
- La costante di Hubble è 71 +/- 4 km/s MegaParsec
- Le attuali teorie applicate ai dati di WMAP indicano che l’Universo si espanderà per sempre.
Il 14 maggio 2009 l’ESA ha lanciato l’osservatorio PLANCK.
Si tratta di un osservatorio che ha il compito di mappare la radiazione le disomogenità della radiazione di fondo con una risoluzione maggiore di quella di WMAP. I risultati dei primi mesi di osservazione sono eccellenti e, quando la mappa globale sarà completata, diventeranno fondamentali per capire come si sono formate le galassie e quale sarà il contributo dell’energia oscura e della gravità nel destino futuro dell’universo. Per ottenre questi risultati importanti PLANCK verrà posizionato nel punto lagrangiano L2 a circa 1.5 milioni di chilometri dalla Terra, in posizione opposta rispetto a quella del Sole. La Terra e la Luna hanno il compito di schermare il satellite dall’interferenza solare.
