Universo: foto da piccolo

24 Mar

In questi ultimi giorni, tutti i giornali, i telegiornali, i siti internet specializzati, sono stati invasi da articoli scientifici riguardanti le ultime scoperte fatte con il telescopio Planck. I dati di questo telescopio, gestito interamente dalla nostra Agenzia Spaziale Europea, hanno mostrato una foto dell’universo quando aveva solo 380000 anni. Ecco la foto che sicuramente vi sara’ capitato di vedere:

L'universo alla tenera eta' di 380000 anni

L’universo alla tenera eta’ di 380000 anni

Si parla anche di risultati sconvolgenti: l’universo e’ piu’ vecchio di quello che si pensava fino ad oggi. Inoltre, la radiazione cosmica di fondo presenta delle differenze tra i due emisferi oltre a mostrare una regione fredda piu’ estesa di quella che si pensava.

Fantastico, direi io, questi risultati mi hanno veramente impressionato. Ora pero’, la domanda che mi sono posto e’ molto semplice, anche su giornali nazionali, ho visto articoli che commentavano questa foto parlando di CMB, anisotropie, fase inflazionistica. In pochissimi pero’, si sono degnati di spiegare in modo semplice il significato di questi termini. Purtroppo, spesso vedo molti articoli che ripetono a pappagallo le notizie senza neanche chiedersi cosa significano quei termini che stanno riportando.

Cerchiamo, per quanto possibile, di provare a fare un po’ chiarezza spiegando in maniera completamente divulgativa cosa significa: radiazione cosmica di fondo, periodo inflazionistitico, ecc.

Andiamo con ordine. La foto da cui siamo partiti ritrae l’universo quando aveva 380000 anni ed in particolare mostra la mappa della radiazione cosmica di fondo.

Prima cosa, come facciamo a fare una foto dell’universo del passato? In questo caso la risposta e’ molto semplice e tutti noi siamo in grado di sperimentarla facilmente. Quando alziamo lo sguardo e vediamo il cielo stellato, in realta’ e’ come se stessimo facendo un viaggio nel tempo. Se guardiamo una stella distante 100 anni luce da noi, significa che quell’immagine che osserviamo ha impiegato 100 anni per giungere fino a noi. Dunque, quella che vediamo non e’ la stella oggi, bensi’ com’era 100 anni fa. Piu’ le stelle sono lontane, maggiore e’ il salto indietro che facciamo.

Bene, questo e’ il principio che stiamo usando. Quando mandiamo un telescopio in orbita, migliore e’ la sua ottica, piu’ lontano possiamo vedere e dunque, equivalentemente, piu’ indietro nel tempo possiamo andare.

Facciamo dunque un altro piccolo passo avanti. Planck sta osservando l’universo quando aveva solo 380000 anni tramite la CMB o radiazione cosmica a microonde. Cosa sarebbe questa CMB?

Partiamo dall’origine. La teoria accettata sull’origine dell’universo e’ che questo si sia espanso inizialmente da un big bang. Un plasma probabilmente formato da materia e antimateria ad un certo punto e’ esploso, l’antimateria e’ scomparsa lasciando il posto alla materia che ha iniziato ad espandersi e, di conseguenza, si e’ raffreddata. Bene, la CMB sarebbe un po’ come l’eco del big bang e, proprio per questo, e’ considerata una delle prove a sostegno dell’esplosione iniziale.

Come si e’ formata la radiazione di fondo? Soltanto 10^(-37) secondi dopo il big bang ci sarebbe stata una fase detta di inflazione in cui l’espansione dell’universo ha subito una rapida accelerazione. Dopo 10^(-6) secondi, l’universo era ancora costituito da un plasma molto caldo di  fotoni, elettroni e protoni, l’alta energia delle particelle faceva continuamente scontrare i fotoni con gli elettroni che dunque non potevano espandersi liberamente. Quando poi la temperatura dell’universo e’ scesa intorno ai 3000 gradi, elettroni e protoni hanno cominciato a combianrsi formando atomi di idrogeno e i fotoni hanno potuto fuoriuscire formando una radiazione piu’ o meno uniforme. Bene, questo e’ avvenuto, piu’ o meno, quando l’universo aveva gia’ 380000 anni.

Capiamo subito due cose: la foto da cui siamo partiti e’ dunque relativa a questo periodo, cioe’ quando la materia (elettroni e protoni) hanno potuto separarsi dalla radiazione (fotoni). Stando a questo meccanismo, capite anche perche’ sui giornali trovate che questa e’ la piu’ vecchia foto che potrebbe essere scattata. Prima di questo momento infatti, la radiazione non poteva fuoriuscire e non esisteva questo fondo di fotoni.

Bene, dopo la separazione tra materia e radiazione, l’universo ha continuato ad espandersi, dunque a raffreddarsi e quindi la temperatura della CMB e’ diminuita. A 380000 anni di eta’ dell’universo, la CMB aveva una temperatura di circa 3000 gradi, oggi la CMB e’ nota come fondo cosmico di microonde con una temperatura media di 2,7 gradi Kelvin. Per completezza, e’ detta di microonde perche’ oggi la temperatura della radiazione sposta lo spettro appunto su queste lunghezze d’onda.

Capite bene come l’evidenza della CMB, osservata per la prima volta nel 1964, sia stata una conferma proprio del modello del big bang sull’origine del nostro universo.

E’ interessante spendere due parole proprio sulla scoperta della CMB. L’esistenza di questa radiazione di fondo venne predetta per la prima volta nel 1948 da Gamow, Alpher e Herman ipotizzando una CMB a 5 Kelvin. Successivamente, questo valore venne piu’ volte corretto a seconda dei modelli che venivano utilizzati e dai nuovi calcoli fatti. Dapprima, a questa ipotesi non venne dato molto peso tra la comunita’ astronomica, fino a quando a partire dal 1960 l’ipotesi della CMB venne riproposta e messa in relazione con la teoria del Big Bang. Da questo momento, inizio’ una vera e propria corsa tra vari gruppi per cercare di individuare per primi la CMB.

Penzias e Wilson davanti all'antenna dei Bell Laboratories

Penzias e Wilson davanti all’antenna dei Bell Laboratories

Con grande sorpresa pero’ la CMB non venne individuata da nessuno di questi gruppi, tra cui i principali concorrenti erano gli Stati Uniti e la Russia, bensi’ da due ingegneri, Penzias e Wilson, con un radiotelescopio pensato per tutt’altre applicazioni. Nel 1965 infatti Penzias e Wilson stavano lavorando al loro radiotelescopio ai Bell Laboratories per lo studio della trasmissione dei segnali attraverso il satellite. Osservando i dati, i due si accorsero di un rumore di fondo a circa 3 Kelvin che non comprendenvano. Diversi tentativi furono fatti per eliminare quello che pensavano essere un rumore elettronico del telescopio. Solo per darvi un’idea, pensarono che questo fondo potesse essere dovuto al guano dei piccioni sull’antenna e per questo motivo salirono sull’antenna per ripulirla a fondo. Nonostante questo, il rumore di fondo rimaneva nei dati. Il punto di svolta si ebbe quando l’astronomo Dicke venne a conoscenza di questo “problema” dell’antenna di Penzias e Wilson e capi’ che in realta’ erano riusciti ad osservare per la prima volta la CMB. Celebre divenne la frase di Dicke quando apprese la notizia: “Boys, we’ve been scooped”, cioe’ “Ragazzi ci hanno rubato lo scoop”. Penzias e Wilson ricevettero il premio Nobel nel 1978 lasciando a bocca asciutta tutti gli astronomi intenti a cercare la CMB.

Da quanto detto, capite bene l’importanza di questa scoperta. La CMB e’ considerata una delle conferme sperimentali al modello del Big Bang e quindi sull’origine del nostro universo. Proprio questa connessione, rende la radiazione di fondo un importante strumento per capire quanto avvenuto dopo il Big Bang, cioe’ il perche’, raffreddandosi, l’universo ha formato aggreggati di materia come stelle e pianeti, lasciando uno spazio quasi vuoto a separazione.

Le osservazioni del telescopio Planck, e dunque ancora la foto da cui siamo partiti, hanno permesso di scoprire nuove importanti dinamiche del nostro universo.

Prima di tutto, la mappa della radiazione trovata mostra delle differenze, o meglio delle anisotropie. In particolare, i due emisferi presentano delle piccole differenze ed inoltre e’ stata individuata una regione piu’ fredda delle altre, anche detta “cold region”. Queste differenze furono osservate anche con la precedente missione WMAP della NASA, ma in questo caso si penso’ ad un’incertezza strumentale del telescopio. Nel caso di Plack, la tecnologia e le performance del telescopio confermano invece l’esistenza di regioni “diverse” rispetto alle altre.

Anche se puo’ sembrare insignificante, l’evidenza di queste regioni mette in dubbio uno dei capisaldi dell’astronomia, cioe’ che l’universo sia isotropo a grande distanza. Secondo i modelli attualmente utilizzati, a seguito dell’espansione, l’universo dovrebbe apparire isotropo, cioe’ “uniforme”, in qualsiasi direzione. Le differenze mostrate da Planck aprono dunque lo scenario a nuovi modelli cosmologici da validare. Notate come si parli di “grande distanza”, questo perche’ su scale minori esistono anisotropie appunto dovute alla presenza di stelle e pianeti.

Ci sono anche altri importanti risultati che Planck ha permesso di ottenere ma di cui si e’ parlato poco sui giornali. In primis, i dati misurati da Planck hanno permesso di ritoccare il valore della costante di Hubble. Questo parametro indica la velocita’ con cui le galassie si allontanano tra loro e dunque e’ di nuovo collegato all’espansione dell’universo. In particolare, il nuovo valore di questa costante ha permesso di modificare leggermente l’eta’ dell’universo portandola a 13,82 miliardi di anni, circa 100 milioni di anni di piu’ di quanto si pensava. Capite dunque perche’ su alcuni articoli si dice che l’universo e’ piu’ vecchio di quanto si pensava.

Inoltre, sempre grazie ai risultati di Planck e’ stato possibile ritoccare le percentuali di materia, materia oscura e energia oscura che formano il nostro universo. Come saprete, la materia barionica, cioe’ quella di cui siamo composti anche noi, e’ in realta’ l’ingrediente meno abbondante nel nostro universo. Solo il 4,9% del nostro universo e’ formato da materia ordinaria che conosciamo. Il 26,8% dell’universo e’ invece formato da “Materia Oscura”, qualcosa che sappiamo che esiste dal momento che ne vediamo gli effetti gravitazionali, ma che non siamo ancora stati in grado di indentificare. In questo senso, un notevole passo avanti potra’ essere fatto con le future missioni ma anche con gli acceleratori di particelle qui sulla terra.

Una considerazione, 4,9% di materia barionica, 26,8% di materia oscura e il resto? Il 68,3% del nostro universo, proprio l’ingrediente piu’ abbondante, e’ formato da quella che viene detta “Energia Oscura”. Questo misterioso contributo di cui non sappiamo ancora nulla si ritiene essere il responsabile proprio dell’espansione e dell’accelerazione dell’universo.

Da questa ultima considerazione, capite bene quanto ancora abbiamo da imparare. Non possiamo certo pensare di aver carpito i segreti dell’universo conoscendo solo il 5% di quello che lo compone. In tal senso, la ricerca deve andare avanti e chissa’ quante altre cose strabilinati sara’ in grado di mostrarci in futuro.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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10 Risposte to “Universo: foto da piccolo”

  1. Renato marzo 24, 2013 a 8:22 pm #

    Caro Matteo,
    Come sempre la tua esposizione é chiarissima. Ho provarto a leggere qualcosa sulla materia Barionica e mi sono perso nei Quark (mi toccherà comprare qualche libro per capirci qualcosa). Se ho ben capito, i Quark sono le “mattonelle” fondamentali dell’universo, in base alle loro caratteristiche ed alla loro associazione in gruppi di 2 o 3 si forma tutta la materia, l’antimateria e la materia strana. Ma la materia oscura? Non dovrebbe essere formata anch’essa da quark? In caso contrario, forse dobbiamo ancora fare molti passi avanti nella teoria e nella ricerca.
    Comunque l’argomento mi affascina e cercherò di informarmi meglio.
    Renato

    • psicosi2012 marzo 25, 2013 a 12:09 am #

      Caro Renato,
      anche se puo’ sembrare un discorso complesso, i costituenti fondamentali della materia sono in realta’ pochi. Tra questi troviamo i quark, i leptoni e le particelle mediatori delle interazioni fondamentali. In tal senso, mescolando i quark si ottengono adroni e barioni. Per farti un esempio, protone e neutrone sono solo un insieme di 3 quark diversi tra up e down. Questi costituenti della materia, appunto i mattoncini fondamentali, costituiscono la base del cosiddetto modello standard delle particelle. Tutto cioe’ che ci circonda e che possiamo toccare e’ fatto di atomi. Questi sono fatti di elettroni (fondamentali) e protoni e neutroni, a loro volta costituiti di quarks.

      La materia oscura, e’ qualcosa che non conosciamo ancora. Molto probabilmente, almeno secondo diverse ipotesi, potrebbe non essere costituita da quelli che noi abbiamo identificato come mattoncini fondamentali. Si parla in questo caso di neutralini, WIPMS, ecc. Ipotesi particolari che purtroppo ancora non siamo riusciti ad identificare. L’unica cosa certa e’ che la materia oscura c’e’, perche’ ne vediamo gli effetti gravitazionali.

      In questo senso, ti segnalo un post di diversi mesi fa in cui, prendendo spunto da ipotesi sul 2012, avevo parlato proprio di materia oscura:

      https://psicosi2012.wordpress.com/2012/12/19/la-materia-oscura/

      Non farti spaventare da tutti questi nomi o da cose che apparentemente sembrano difficili. In ultima analisi, basta mescolare gli ingredienti fondamentali per ottenere la materia che ci circonda.

      Grazie mille come sempre e per qualsias dubbio su questo campo, sono sempre disponibile.

      Matteo

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