I cosmologi del California Institute of Technology hanno usato le osservazioni per sondare l'epoca remota dell'universo quando gli atomi si stavano formando per rilevare movimenti tra i semi che hanno dato origine a gruppi di galassie. I nuovi risultati mostrano il movimento della materia primordiale nel suo cammino verso la formazione di ammassi e superammassi di galassie. Le osservazioni sono state ottenute con uno strumento alto nelle Ande cilene noto come Cosmic Background Imager (CBI) e forniscono nuova fiducia nella precisione del modello standard dell'universo primordiale in cui l'inflazione rapida si è verificata un breve istante dopo il Big Bang .
La caratteristica nuova di queste osservazioni di polarizzazione è che rivelano direttamente i semi degli ammassi di galassie e i loro movimenti mentre procedevano a formare i primi ammassi di galassie.
Riferendo nell'edizione online del 7 ottobre di Science Express, Rawn Professor of Astronomy di Caltech e principale investigatore del progetto CBI, Anthony Readhead e il suo team affermano che i nuovi risultati della polarizzazione forniscono un forte supporto al modello standard dell'universo come luogo in cui la materia oscura e l'energia oscura sono molto più diffuse della materia quotidiana come la conosciamo, il che pone un grave problema per la fisica. Un documento di accompagnamento che descrive le prime osservazioni di polarizzazione con il CBI è stato presentato al Diario astrofisico.
Lo sfondo cosmico osservato dal CBI ha origine nell'era appena 400.000 anni dopo il Big Bang e fornisce una ricchezza di informazioni sulla natura dell'universo. In questa epoca remota non esisteva nessuna delle strutture familiari dell'universo: non c'erano galassie, stelle o pianeti. Invece c'erano solo minuscole fluttuazioni di densità, e questi erano i semi dai quali si formavano galassie e stelle sotto la mano di gravità.
Gli strumenti precedenti al CBI avevano rilevato fluttuazioni su grandi scale angolari, corrispondenti a masse molto più grandi dei supercluster di galassie. L'alta risoluzione del CBI ha permesso di osservare per la prima volta nel gennaio 2000 i semi delle strutture che osserviamo intorno a noi nella rivista Space.
L'universo in espansione si raffreddò e di 400.000 anni dopo il Big Bang fu abbastanza freddo da consentire a elettroni e protoni di combinarsi per formare atomi. Prima di allora i fotoni non potevano viaggiare molto prima di scontrarsi con un elettrone e l'universo era come una fitta nebbia, ma a questo punto l'universo è diventato trasparente e da quel momento i fotoni si sono riversati liberamente attraverso l'universo per raggiungere i nostri telescopi oggi, 13,8 miliardi di anni dopo. Pertanto, le osservazioni sullo sfondo delle microonde forniscono un'istantanea dell'universo com'erano appena 400.000 anni dopo il Big Bang, molto prima della formazione delle prime galassie, stelle e pianeti.
I nuovi dati sono stati raccolti dal CBI tra settembre 2002 e maggio 2004 e coprono quattro chiazze di cielo, comprendendo un'area totale trecento volte la dimensione della luna e mostrando dettagli fini solo una frazione delle dimensioni della luna. I nuovi risultati si basano su una proprietà della luce chiamata polarizzazione. Questa è una proprietà che può essere dimostrata facilmente con un paio di occhiali da sole polarizzanti. Se uno guarda la luce riflessa da uno stagno attraverso tali occhiali da sole e poi ruota gli occhiali da sole, si vede la luce riflessa che varia in luminosità. Questo perché la luce riflessa è polarizzata e gli occhiali da sole polarizzanti trasmettono solo luce la cui polarizzazione è correttamente allineata con gli occhiali. Allo stesso modo il CBI rileva la luce polarizzata, ed è i dettagli di questa luce che rivelano il movimento dei semi degli ammassi di galassie.
Nell'intensità totale vediamo una serie di picchi e valli, in cui i picchi sono armoniche successive di un "tono" fondamentale. Nell'emissione polarizzata vediamo anche una serie di picchi e valli, ma i picchi nell'emissione polarizzata coincidono con le valli nell'intensità totale e viceversa. In altre parole, l'emissione polarizzata è esattamente sfasata rispetto all'intensità totale. Questa proprietà dell'emissione polarizzata sfasata rispetto all'intensità totale indica che l'emissione polarizzata deriva dal movimento del materiale.
La prima rilevazione dell'emissione polarizzata da parte del Grader Angular Scale Interferometer (DASI), il progetto gemello del CBI, nel 2002 ha fornito prove drammatiche di movimento nell'universo primordiale, così come le misurazioni effettuate dalla Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) nel 2003 I risultati della CBI annunciati oggi aumentano significativamente queste scoperte precedenti dimostrando direttamente, e sulle piccole scale corrispondenti ai cluster di galassie, che l'emissione polarizzata è fuori passo con l'intensità totale.
Altri dati sulla polarizzazione cosmica del fondo a microonde sono stati rilasciati solo due settimane fa dal team DASI, i cui tre anni di risultati mostrano ulteriori prove convincenti che la polarizzazione è effettivamente dovuta allo sfondo cosmico e non è contaminata dalle radiazioni della Via Lattea. I risultati di questi due progetti gemelli si completano quindi perfettamente a vicenda, così come l'intenzione di Readhead e John Carlstrom, il principale investigatore della DASI e coautore del documento CBI, quando hanno progettato questi due strumenti dieci anni fa.
Secondo Readhead, “La fisica non ha una spiegazione soddisfacente per l'energia oscura che domina l'universo. Questo problema rappresenta la sfida più grave per la fisica fondamentale dopo le rivoluzioni quantistiche e relativistiche di un secolo fa. I successi di questi esperimenti di polarizzazione danno fiducia nella nostra capacità di sondare i dettagli dello sfondo cosmico polarizzato, che alla fine getterà luce sulla natura di questa energia oscura ".
"Il successo di questi esperimenti di polarizzazione ha aperto una nuova finestra per esplorare l'universo che potrebbe permetterci di sondare i primi istanti dell'universo attraverso le osservazioni delle onde gravitazionali dall'epoca dell'inflazione", afferma Carlstrom.
L'analisi dei dati CBI viene effettuata in collaborazione con gruppi presso il National Radio Astronomy Observatory (NRAO) e presso il Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA).
"Questo è davvero un momento emozionante nella ricerca cosmologica, con una straordinaria convergenza di teoria e osservazione, un universo pieno di misteri come la materia oscura e l'energia oscura, e una fantastica gamma di nuove tecnologie - c'è un enorme potenziale per scoperte fondamentali qui" afferma Steve Myers del NRAO, coautore e membro chiave del team CBI sin dal suo inizio.
Secondo Richard Bond, direttore della CITA e coautore del documento, "Come teorico nei primi anni ottanta, quando abbiamo mostrato per la prima volta che l'entità della polarizzazione cosmica del fondo a microonde sarebbe probabilmente un fattore di cento in meno di potenza da le minime variazioni di temperatura che erano esse stesse uno sforzo eroico da scoprire, sembrava desideroso pensare che anche in un futuro molto lontano sarebbero stati rivelati segnali così minuti. Con questi rilevamenti di polarizzazione, il desiderato è diventato realtà, grazie a notevoli progressi tecnologici in esperimenti come il CBI. È stato un privilegio per noi della CITA essere pienamente coinvolti come membri del team CBI nello svelare questi segnali e interpretare il loro significato cosmologico per quello che è emerso come modello standard di formazione ed evoluzione della struttura cosmica. "
Il prossimo passo per Readhead e il suo team CBI sarà quello di affinare significativamente queste osservazioni di polarizzazione prendendo più dati e testare se l'emissione polarizzata è esattamente fuori passo con l'intensità totale con l'obiettivo di trovare alcuni indizi sulla natura della materia oscura e dell'energia oscura.
Il CBI è un array di telescopi a microonde che comprende 13 antenne separate, ciascuna di circa un metro di diametro e che operano in 10 canali di frequenza, installate di concerto in modo che l'intero strumento agisca come un insieme di 780 interferometri. Il CBI si trova a Llano de Chajnantor, un altopiano del Cile a 16.800 piedi, rendendolo di gran lunga lo strumento scientifico più sofisticato mai usato ad altitudini così elevate. Il telescopio è così alto, infatti, che i membri del team scientifico devono trasportare ossigeno in bottiglia per fare il lavoro.
L'upgrade del CBI alla capacità di polarizzazione è stato supportato da una generosa sovvenzione del Kavli Operating Institute, e il progetto è anche il destinatario grato del supporto continuo di Barbara e Stanley Rawn Jr. Il CBI è supportato anche dalla National Science Foundation, la California Institute of Technology e Canadian Institute for Advanced Research, e ha anche ricevuto generoso supporto da Maxine e Ronald Linde, Cecil e Sally Drinkward e dal Kavli Institute for Cosmological Physics presso l'Università di Chicago.
Oltre agli scienziati sopra menzionati, il quotidiano Science Express di oggi è coautore di C. Contaldi e J. L. Sievers di CITA, J.K. Cartwright e S. Padin, entrambi di Caltech e dell'Università di Chicago; B. S. Mason e M. Pospieszalski del NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus e J. May tutti dell'Università del Cile; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson e M. Shepherd of Caltech; W. Holzapfel di UC Berkeley; E. M. Leitch e C. Pryke dell'Università di Chicago; D. Pogosyan dell'Università di Toronto e dell'Università di Alberta; e R. Bustos, R. Reeves e S. Torres dell'Università di Concepción, Cile.
Fonte originale: Caltech News Release
