Un'immagine della radiazione cosmica di fondo a microonde, scattata dal satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea (ESA) nel 2013, mostra le piccole variazioni nel cielo
(Immagine: © ESA / Planck Collaboration)
Si pensa che il fondo cosmico a microonde (CMB) sia la radiazione rimanente del Big Bang, o il momento in cui l'universo ha avuto inizio. Come dice la teoria, quando nacque l'universo subì una rapida inflazione ed espansione. (L'universo si sta ancora espandendo oggi e il tasso di espansione appare diverso a seconda di dove guardi). Il CMB rappresenta il calore rimasto dal Big Bang.
Non puoi vedere la CMB a occhio nudo, ma è ovunque nell'universo. È invisibile agli umani perché è così freddo, solo 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.
Origini e scoperta
L'universo è iniziato 13,8 miliardi di anni fa e il CMB risale a circa 400.000 anni dopo il Big Bang. Questo perché nelle prime fasi dell'universo, quando aveva appena il centomilionesimo la dimensione che è oggi, la sua temperatura era estrema: 273 milioni di gradi sopra zero assoluto, secondo la NASA.
Tutti gli atomi presenti in quel momento furono rapidamente suddivisi in piccole particelle (protoni ed elettroni). La radiazione del CMB nei fotoni (particelle che rappresentano i quantum di luce o altre radiazioni) è stata dispersa dagli elettroni. "Pertanto, i fotoni vagavano nell'universo primordiale, proprio mentre 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 formare idrogeno. Poiché i fotoni CMB sono a mala pena colpiti dall'idrogeno, i fotoni viaggiano in linea retta. I cosmologi si riferiscono a una "superficie dell'ultimo scattering" quando i fotoni del CMB colpiscono per ultimo la materia; dopo ciò, l'universo era troppo grande. Quindi, quando mappiamo il CMB, guardiamo indietro nel tempo a 380.000 anni dopo il Big Bang, subito dopo che l'universo era opaco alle radiazioni.
Il cosmologo americano Ralph Apher predisse per la prima volta il CMB nel 1948, quando stava lavorando con Robert Herman e George Gamow, secondo la NASA. Il team stava facendo 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 la CMB è stata trovata per la prima volta per caso. Nel 1965, due ricercatori dei Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias e Robert Wilson) stavano creando un ricevitore radio ed erano 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 ottenne l'esperimento Bell e si rese conto che il CMB era stato trovato.
Entrambe le squadre pubblicarono rapidamente articoli sull'Astrophysical Journal nel 1965, con Penzias e Wilson che parlavano di ciò che vedevano, e la squadra di Dicke spiegava cosa significasse nel contesto dell'universo. (Più tardi, Penzias e Wilson ricevettero entrambi il Premio Nobel per la fisica nel 1978).
Studiare in modo più dettagliato
Il CMB è utile agli scienziati perché ci aiuta a capire come si è formato l'universo primordiale. È a 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 su larga scala delle galassie e possono misurare i parametri di base della teoria del Big Bang", ha scritto la NASA.
Mentre parti del CMB furono mappate nei decenni successivi alla sua scoperta, la prima mappa a cielo pieno basata sullo spazio venne dalla missione Cosmic Background Explorer (COBE) della NASA, che fu lanciata nel 1989 e cessò le operazioni scientifiche nel 1993. Questa "immagine del bambino "Dell'universo, come lo chiama la NASA, ha confermato le previsioni della teoria del Big Bang e ha anche mostrato accenni di struttura cosmica mai visti prima. Nel 2006, il premio Nobel per la fisica è stato assegnato agli scienziati COBE John Mather presso il Goddard Space Flight Center della NASA e George Smoot presso l'Università della California, Berkeley.
Nel 2003 è stata fornita una mappa più dettagliata per gentile concessione della Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), che è stata lanciata nel giugno 2001 e ha smesso di raccogliere dati scientifici nel 2010. La prima immagine ha fissato l'età dell'universo a 13,7 miliardi di anni (una misura da raffinata a 13,8 miliardi 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.
Gli scienziati hanno seguito questi risultati studiando le primissime fasi di inflazione dell'universo (nel trilionesimo secondo dopo la formazione) e fornendo parametri più precisi sulla densità dell'atomo, sulla grumosità dell'universo e su altre 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" che era più grande del previsto. Il team WMAP ha ricevuto il Premio Breakthrough 2018 in Fisica fondamentale per il proprio lavoro.
Nel 2013 sono stati rilasciati i dati del telescopio spaziale Planck dell'Agenzia spaziale europea, che mostrano il quadro di massima precisione della CMB. Gli scienziati hanno scoperto un altro mistero con queste informazioni: le fluttuazioni nel 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 finale dei dati di Planck nel 2018 (la missione operata tra il 2009 e il 2013) ha mostrato ulteriori prove del fatto che la materia oscura e l'energia oscura - forze misteriose che sono probabilmente dietro l'accelerazione dell'universo - sembrano esistere.
Altri sforzi di ricerca hanno tentato di esaminare diversi aspetti della CMB. Uno è determinare i tipi di polarizzazione chiamati E-mode (scoperti dall'interferometro della scala angolare in base all'Antartide nel 2002) e B-mode. Le modalità B possono essere prodotte dall'obiettivo gravitazionale delle modalità E (questo obiettivo è stato visto per la prima volta dal South Pole Telescope nel 2013) e dalle onde gravitazionali (osservate per la prima volta nel 2016 usando l'Osservatorio di onde gravitazionali Advanced Laser Interferometer o LIGO). Nel 2014 si diceva che lo strumento BICEP2 con base in Antartide avesse trovato le modalità B dell'onda gravitazionale, ma ulteriori osservazioni (incluso il lavoro di Planck) hanno 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 poco dopo il Big Bang. A quel tempo, l'universo stava diventando più grande ad un ritmo più veloce della velocità della luce. In tal caso, i ricercatori sospettano che ciò dovrebbe essere visibile nella CMB attraverso una forma di polarizzazione. Uno studio di quell'anno ha suggerito che un bagliore di nanodiamondi crea una luce debole, ma percepibile, che interferisce con le osservazioni cosmiche. Ora che questo bagliore è giustificato, le indagini future potrebbero rimuoverlo per cercare meglio la debole polarizzazione nel CMB, hanno detto gli autori dello studio all'epoca.
Risorsa aggiuntiva
- NASA: Test di Big Bang: The CMB
