Big Bang, che cos'è la radiazione cosmica di fondo?

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Planck e, sullo sfondo, una mappa della radiazione di fondo a microonde, un'"impronta" della luce primordiale dell'Universo così come appariva 380 mila anni dopo il Big Bang. Image credit: ESA and the Planck Collaboration - D. Ducros

Che cos'è la radiazione cosmica di fondo e perché la studiamo con grande attenzione?
E qual è la portata della scoperta di un gruppo di ricercatori guidato da John Kovac dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, che ha annunciato di avere trovato per la prima volta una serie di prove che dimostrano la correttezza dell’inflazione cosmica, cioè la teoria formulata alla fine degli anni Settanta per spiegare ciò che accadde nei primissimi istanti del Big Bang, il momento in cui si creò ed ebbe inizio il processo di espansione dell’universo?

Ecco le risposte a queste domande insieme a una breve storia del Big Bang e dell'Universo.


La radiazione cosmica di fondo è un mare di microonde che pervade l’universo, ed è il residuo del Big Bang, l’esplosione che diede inizio all’universo. Fu prevista nel 1948 dai fisici George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman, e fu misurata per la prima volta nel 1965 da Arno Penzias e Robert Wilson, che nel 1978 vinsero il Nobel per la scoperta.

Il satellite Cobe, lanciato nel 1989, fece un’analisi più precisa: scoprì che la radiazione cosmica di fondo non era perfettamente uniforme come rilevato inizialmente, ma che la sua mappa presenta “macchie” corrispondenti a zone leggermente più fredde e altre a zone più calde: queste macchie sono l’impronta digitale di ciò che avvenne nei primi istanti di vita dell’universo.

Dopo Cobe, il satellite che ha studiato nel dettaglio la radiazione fossile è stato WMAP, lanciato in orbita nel giugno 2001. L'ultimo è stato il satellite europeo Plank, fino a 10 volte più sensibile e con una risoluzione angolare 3 volte maggiore.

Breve storia dell'Universo
Durante il Big Bang, l’universo visibile era concentrato in un punto molto più piccolo di un atomo. Su questo stadio primordiale non sappiamo praticamente nulla, perché le nostre teorie falliscono in condizioni così estreme. Possiamo soltanto dire che, in quelle primissime fasi, l’universo era composto da un concentrato caldissimo di energia, soggetto a fluttuazioni di natura “quantistica”, cioè dovute al fatto che nel mondo microscopico non c’è mai nulla di perfettamente fermo, ma tutto si muove come in un calderone d’acqua in continua ebollizione.
Le fluttuazioni quantistiche primordiali erano così intense da sconvolgere lo spazio e il tempo, per cui dovevano esserci zone e momenti in cui le distanze si accorciavano, altre in cui si allungavano. E nemmeno lo scorrere del tempo era uniforme: in alcune situazioni accelerava, in altre rallentava… forse ogni tanto si creavano perfino minuscole macchine del tempo capaci di raggiungere il passato! Questa fase, ancora fuori dalla portata dei nostri strumenti di misura, durò un niente: indicativamente 10-36 secondi, cioè 0,00… 01 secondi, scritto con 36 zeri.

Seconda fase: l'inflazione
In una fase immediatamente successiva, e per un tempo altrettanto breve, l’universo esplose in modo iperbolico, espandendosi di 1040 (1 seguito da 40 zeri) volte: porzioni di spazio molto più piccole di un nucleo atomico furono, così, proiettate su scala cosmica.
Questa fase si chiama “inflazione” e gli astronomi fino ad oggi la postulavano soltanto teoricamente. Oggi, grazie alle prove di BICEP2, ne abbiamo le prove "tangibili: l'inflazione c’è stata davvero.

Secondo molte teorie, durante l’inflazione il cosmo fu scosso da una valanga di onde gravitazionali. In seguito al loro passaggio, l’universo vibrò come una pelle di tamburo. Planck era stato progettato per rilevare in modo indiretto le onde gravitazionali che si sprigionarono subito dopo il Big Bang e i dati delle sue ricerche sono ancora in fase di studio.

Perché queste onde dovrebbero aver lasciato una traccia in una particolare componente della radiazione cosmica: per cercare di rilevarla, BICEP2 e Planck selezionano dalle radiazioni che ricevono una particolare polarizzazione, in modo analogo a come un filtro polaroid (quelli delle macchine fotografiche) seleziona una particolare componente della luce.

Terza fase: raffreddamento
Dopo l’inflazione, l’universo si raffreddò al punto che il vuoto ebbe una transizione di fase: in un certo senso, “si congelò”. E le particelle, che prima si muovevano nel vuoto alla velocità della luce, acquistarono una proprietà detta “massa” che le fece rallentare, dando origine al principio per cui, se spingiamo con identica forza una boccia da 1 etto (che ha una massa minore) e una da 1 kg (che ha una massa maggiore), quest’ultima si muove più lentamente. A “frenare” il movimento delle particelle nel cosmo primordiale fu un’entità detta “campo di Higgs”, che possiamo immaginare come un campo innevato: una particella che interagisce poco con tale campo, per esempio un elettrone, è come uno sciatore che sfreccia velocemente sulla neve, mentre una particella che interagisce di più, come un protone, è come una persona che avanza con più difficoltà, a piedi, perché sprofonda. Nell’esempio, il campo di Higgs è generato da una particella che possiamo paragonare a un fiocco di neve: il bosone di Higgs, detto “particella di Dio”.

Recentemente, i due fisici russi Fedor Bezrukov e Mikhail Shaposhnikov hanno ipotizzato che lo stesso meccanismo responsabile dell’inflazione sia responsabile anche del campo di Higgs. In altre parole, secondo questa ipotesi, il bosone di Higgs in una prima fase ha fatto espandere l’universo, per poi assumere il ruolo attuale, quello di dare una massa alle particelle elementari. Questa ipotesi è certamente affascinante, anche se molti teorici la considerano improbabile.

Quarta fase: prevale la materia
Nei primi istanti dell’universo, materia e antimateria erano presenti in quantità pressoché identiche. Man mano che il cosmo si espandeva e si raffreddava, le due componenti uguali e simmetriche avrebbero dovuto annichilirsi, cioè annullarsi a vicenda per lasciare un mare di sola radiazione. E invece non andò così: la materia prevalse e, col tempo, formò stelle, pianeti ed esseri viventi come noi.

Quinta fase: la gravità
In seguito alle fluttuazioni primordiali (v. FASE 1), dopo il Big Bang la materia non era distribuita in modo uniforme: c’erano zone più dense e altre meno dense. La materia si condensò per effetto della gravità in quelle più dense, creando, nel corso di molti milioni di anni, stelle e galassie.

Il lato oscuro
Questa storia del cosmo sarebbe incompleta senza due elementi essenziali: l’energia oscura e la materia oscura. La prima è un’energia che pervade lo spazio e spinge l’universo ad accelerare la sua espansione, ma al momento non si sa nulla di più. La seconda è una massa invisibile che si addensa attorno alle galassie, e che si pensa possa aver costituito i “semi” attorno a cui le stesse galassie si sono formate… Se non ci fosse stata, insomma, non ci sarebbero nemmeno le galassie e il cosmo sarebbe una nube di gas informe.
Sulla materia oscura sono state formulate varie teorie: l’ipotesi dominante è che sia composta da particelle dette Wimps, molto più pesanti degli elettroni e dei quark negli atomi. Diversi scienziati, però, sono scettici: «Dopo più di 20 anni di ricerca, non è ancora stata trovata alcuna particella di questo tipo» dice Norma Sanchez.
«Inoltre le Wimps non rendono conto dei dati astronomici, sempre più precisi: se queste particelle davvero esistessero, i centri delle galassie dovrebbero avere una struttura molto più articolata di quella che si osserva». Secondo Sanchez, la materia oscura è composta da particelle più leggere, circa 500 volte più leggere degli elettroni, e buoni candidati sarebbero i cosiddetti “neutrini sterili”, dei quali si potrebbe trovare traccia per mezzo di osservazioni astronomiche e di esperimenti nucleari.

Qualunque sia la natura della materia oscura, il fatto stesso che esista fa tremare le fondamenta del cosiddetto “Modello Standard”, la teoria che inquadra tutte le particelle note. Recentemente, nuovi esperimenti hanno trovato crepe in questo edificio teorico, che finora era stato pressoché infallibile nel descrivere i processi che avvengono su scala subatomica. Siamo, dunque, alla vigilia di una nuova rivoluzione scientifica?

In questa tavola, che potete ingrandire cliccando qui, abbiamo raccolto la storia dell'Universo dal Big Bang a oggi in 10 fasi.

17 Marzo 2014

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