La radiazione cosmica di fondo

Osservando il cielo con un normale telescopio ottico, lo spazio interstellare e quello intergalattico appaiono perfettamente neri. Tuttavia, se ci si munisce di un radiotelescopio, si noterà una debole radiazione isotropa di fondo che non è riconducibile a nessun corpo celeste, con il picco di intensità nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico.

Spesso abbreviata in CMBR (cosmic microwave background radiation), la radiazione cosmica di fondo venne scoperta nel 1965 da Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson, entrambi statunitensi, al termine di un complesso studio iniziato durante la Seconda Guerra Mondiale, che li portò a conseguire il Premio Nobel per la fisica nel 1978.

Ma di che cosa si tratta esattamente? La CMBR è considerata una delle prove più importanti a sostegno della Teoria del Big Bang. Infatti tale radiazione altro non è che un residuo proveniente dalle fasi iniziali della nascita dell’Universo, quando esso era molto più piccolo e molto più caldo di adesso.

Fino a 380.000 anni dopo il Big Bang, l’Universo primordiale era permeato da un plasma con cui i fotoni interagivano continuamente. L’elevata energia di queste particelle impediva agli elettroni di legarsi ai nuclei, ostacolando in tal modo la formazione dei primi atomi. Dal momento che gli stessi fotoni non potevano propagarsi liberamente, l’Universo di allora era una sorta di nebbia opaca: la radiazione rimaneva “intrappolata” e non poteva diffondersi come fa normalmente adesso.

In seguito, con l’espansione, sia plasma che radiazione si raffreddarono progressivamente fin quando, alla temperatura di 3000K, l’energia dei fotoni scese sotto una soglia oltre la quale non furono più in grado di impedire la formazione di atomi stabili. Questi ultimi a loro volta, elettricamente neutri, non sono in grado di assorbire la radiazione e dunque i fotoni iniziarono a viaggiare liberamente nello spazio. In tal modo l’Universo da opaco divenne trasparente alla radiazione, che man mano, dovendo riempire uno spazio in costante espansione, si raffreddò.

Oggi, con un Universo molto più grande di allora, la temperatura della radiazione cosmica di fondo è pari a circa 2,7K, ovvero poco meno di tre gradi al di sopra dello zero assoluto (-273,15°C).

La sua scoperta è stata importantissima perché la Teoria del Big Bang la aveva prevista, e dunque rappresenta una prova decisiva.

Già dagli anni ’40 molti astronomi tentarono di stimarne la temperatura. La maggior parte di essi le attribuirono un valore eccessivamente elevato, alcuni addirittura a 50K, ma man mano che ci si avvicinava al 1965 le stime divennero sempre più precise. A quel punto, quando Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson costruirono un radiometro da utilizzare per la radioastronomia e gli esperimenti di comunicazione via satellite, i due astronomi notarono che lo strumento soffriva di un eccesso di temperatura dell’antenna di circa 3K.  Poco dopo, in una riunione venne stabilito che quell’eccesso di temperatura era effettivamente dovuto alla presenza della radiazione cosmica di fondo.

File:Horn Antenna-in Holmdel, New Jersey.jpeg   L’antenna con cui Penzias e Wilson scoprirono la radiazione di fondo

Durante gli anni sessanta si ebbero delle controversie sull’interpretazione della CMBR. C’era infatti chi, in accordo con la teoria dello stato stazionario, sosteneva che la radiazione di fondo fosse il risultato della luce stellare riflessa dalle galassie lontane. Questa ipotesi venne tuttavia smontata durante gli anni ’70, quando nuove misurazioni mostrarono che la CMBR era uno spettro di corpo nero termico, un risultato che il modello dello stato stazionario non riusciva in alcun modo a riprodurre.

Nel 1991 il satellite COBE, lanciato nel 1989 per misurare lo spettro della radiazione di fondo e cercarne eventuali disuniformità, scoprì effettivamente piccole fluttuazioni nella sua temperatura. Secondo l’interpretazione più accreditata, le zone a temperatura maggiore corrispondono a regioni in cui l’Universo primordiale era per qualche motivo un po’ più denso (e quindi più caldo), le stesse dove poi, successivamente, la materia si addensò a formare le galassie e gli ammassi di galassie che oggi osserviamo.

Immagine che mostra le disomogeneità nella temperatura della CMBR

Successive missioni, tra cui BOOMERANG e MAXIMA, studiando più approfonditamente la radiazione di fondo, evidenziarono le condizioni che determinano quale sia la geometria dell’Universo. Questo portò, in base ai risultati sperimentali, a formulare l’ipotesi che l’Universo sia piatto, ovvero abbia una geometria di tipo euclideo.

Lo studio della radiazione di fondo proseguì poi con ulteriori missioni come la WMAP che, tramite rilevazioni molto più accurate di quelle dei suoi predecessori, contribuì a definire in modo più preciso parametri cosmologici quali l’età dell’Universo, la costante di Hubble, la densità della materia oscura e dell’energia oscura, ecc.

File:Schema del WMAP.png   Il satellite WMAP

Oggi sappiamo che la radiazione cosmica di fondo, sebbene sia piuttosto difficile da studiare, rappresenti un potente strumento d’indagine perché la natura delle sue disomogeneità dipende appunto da parametri cosmologici di fondamentale importanza. Ed è per questo che dalla sua scoperta le si sono stati dedicati, e sicuramente ancora le si dedicheranno, così tanti studi e missioni.

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