Qual è lo sfondo delle microonde cosmiche?
Per migliaia di anni, l’essere umano ha contemplato l’Universo e ha cercato di determinarne la vera portata. E mentre gli antichi filosofi credevano che il mondo consistesse in un disco, uno ziggurat o un cubo circondato da oceani celesti o qualche tipo di etere, lo sviluppo dell’astronomia moderna ha aperto gli occhi a nuove frontiere. Entro il 20 ° secolo, gli scienziati hanno iniziato a capire quanto sia vasto (e forse anche infinito) l’Universo.,
E nel corso di guardare più lontano nello spazio, e più in profondità indietro nel tempo, i cosmologi hanno scoperto alcune cose veramente sorprendenti. Ad esempio, durante gli anni ‘ 60, gli astronomi sono venuti a conoscenza della radiazione di fondo a microonde che era rilevabile in tutte le direzioni. Conosciuto come Cosmic Microwave Background (CMB), l’esistenza di questa radiazione ha contribuito a informare la nostra comprensione di come è iniziato l’Universo.
Descrizione:
La CMB è essenzialmente una radiazione elettromagnetica che è rimasta dalla prima epoca cosmologica che permea l’intero Universo., Si ritiene che si sia formato circa 380.000 anni dopo il Big Bang e contiene sottili indicazioni su come si formarono le prime stelle e galassie. Mentre questa radiazione è invisibile usando telescopi ottici, i radiotelescopi sono in grado di rilevare il debole segnale (o bagliore) che è più forte nella regione delle microonde dello spettro radio.
La CMB è visibile a una distanza di 13,8 miliardi di anni luce in tutte le direzioni dalla Terra, portando gli scienziati a determinare che questa è la vera età dell’Universo. Tuttavia, non è un’indicazione della vera estensione dell’Universo., Dato che lo spazio è stato in uno stato di espansione fin dall’Universo primordiale (e si sta espandendo più velocemente della velocità della luce), il CMB è semplicemente il più lontano indietro nel tempo che siamo in grado di vedere.
Relazione con il Big Bang:
La CMB è centrale nella Teoria del Big Bang e nei moderni modelli cosmologici (come il modello Lambda-CDM). Come la teoria va, quando l’Universo è nato 13,8 miliardi di anni fa, tutta la materia è stata condensata su un unico punto di densità infinita e calore estremo. A causa dell’estremo calore e della densità della materia, lo stato dell’Universo era altamente instabile., Improvvisamente, questo punto ha cominciato ad espandersi, e l’Universo come lo conosciamo ha cominciato.
In questo momento, lo spazio era riempito con un bagliore uniforme di particelle di plasma bianco-caldo – che consisteva in protoni, neutroni, elettroni e fotoni (luce). Tra 380.000 e 150 milioni di anni dopo il Big Bang, i fotoni interagivano costantemente con gli elettroni liberi e non potevano percorrere lunghe distanze. Quindi perché questa epoca è colloquialmente indicato come il “Medioevo”.,
Mentre l’Universo continuava ad espandersi, si raffreddò al punto in cui gli elettroni erano in grado di combinarsi con i protoni per formare atomi di idrogeno (aka. il Periodo di ricombinazione). In assenza di elettroni liberi, i fotoni sono stati in grado di muoversi senza ostacoli attraverso l’Universo e ha cominciato ad apparire come fa oggi (cioè trasparente e permeato dalla luce). Nel corso dei miliardi di anni successivi, l’Universo ha continuato ad espandersi e raffreddarsi notevolmente.,
A causa dell’espansione dello spazio, le lunghezze d’onda dei fotoni sono cresciute (sono diventate “redshifted”) a circa 1 millimetro e la loro temperatura effettiva è diminuita appena sopra lo zero assoluto – 2,7 Kelvin (-270 °C; -454 °F). Questi fotoni riempiono l’Universo oggi e appaiono come un bagliore di sfondo che può essere rilevato nelle lunghezze d’onda del lontano infrarosso e della radio.
Storia dello studio:
L’esistenza del CMB fu teorizzata per la prima volta dal fisico ucraino-americano George Gamow, insieme ai suoi studenti, Ralph Alpher e Robert Herman, nel 1948., Questa teoria si basava sui loro studi sulle conseguenze della nucleosintesi degli elementi leggeri (idrogeno, elio e litio) durante l’Universo primordiale. Essenzialmente, si resero conto che per sintetizzare i nuclei di questi elementi, l’Universo primordiale doveva essere estremamente caldo.
Hanno inoltre teorizzato che la radiazione residua di questo periodo estremamente caldo avrebbe permeato l’Universo e sarebbe rilevabile. A causa dell’espansione dell’Universo, hanno stimato che questa radiazione di fondo avrebbe una bassa temperatura di 5 K (-268 °C; -450 °F) – solo cinque gradi sopra lo zero assoluto – che corrisponde alle lunghezze d’onda delle microonde. Non è stato fino al 1964 che è stata rilevata la prima prova per il CMB.,
Questo è stato il risultato di astronomi americani Arno Penzias e Robert Wilson utilizzando il radiometro Dicke, che avevano intenzione di utilizzare per la radioastronomia e esperimenti di comunicazione satellitare. Tuttavia, durante la loro prima misurazione, hanno notato un eccesso di temperatura dell’antenna 4.2 K che non potevano spiegare e potevano essere spiegati solo dalla presenza di radiazioni di fondo. Per la loro scoperta, Penzias e Wilson hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1978.,
Inizialmente, il rilevamento della CMB era una fonte di contesa tra i fautori di diverse teorie cosmologiche. Mentre i fautori della Teoria del Big Bang affermavano che questa era la “radiazione reliquia” rimasta dal Big Bang, i fautori della Teoria dello Stato stazionario sostenevano che fosse il risultato della luce stellare sparsa da galassie lontane. Tuttavia, dal 1970, era emerso un consenso scientifico che favoriva l’interpretazione del Big Bang.
Durante gli anni 1980, gli strumenti a terra ponevano limiti sempre più severi alle differenze di temperatura della CMB. Questi includevano la missione sovietica RELIKT-1 a bordo del satellite Prognoz 9 (che fu lanciato nel luglio del 1983) e la missione NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (i risultati dell’oms furono pubblicati nel 1992). Per il loro lavoro, il team COBE ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2006.,
COBE ha anche rilevato il primo picco acustico del CMB, oscillazioni acustiche nel plasma che corrispondono a variazioni di densità su larga scala nell’universo primordiale create da instabilità gravitazionali. Molti esperimenti seguirono nel decennio successivo, che consistevano in esperimenti a terra e a palloncino il cui scopo era quello di fornire misurazioni più accurate del primo picco acustico.
Il secondo picco acustico è stato rilevato provvisoriamente da diversi esperimenti, ma non è stato rilevato definitivamente fino a quando la Wilkinson Microwave Anisotropia Probe (WMAP) è stata implementata nel 2001., Tra il 2001 e il 2010, quando la missione è stata conclusa, WMAP ha rilevato anche un terzo picco. Dal 2010, più missioni hanno monitorato la CMB per fornire misurazioni migliorate della polarizzazione e delle variazioni di densità su piccola scala.
Questi includono telescopi terrestri come QUEST a DASI (QUaD) e il South Pole Telescope presso la stazione del Polo Sud di Amudsen-Scott, e il telescopio cosmologico Atacama e il telescopio Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) in Cile. Nel frattempo, la navicella spaziale Planck dell’Agenzia Spaziale europea continua a misurare il CMB dallo spazio.,
Futuro della CMB:
Secondo varie teorie cosmologiche, l’Universo potrebbe a un certo punto cessare di espandersi e iniziare a invertirsi, culminando in un collasso seguito da un altro Big Bang – aka. la teoria del Big Crunch. In un altro scenario, noto come The Big Rip, l’espansione dell’Universo alla fine porterà a distruggere tutta la materia e lo spaziotempo stesso.
Se nessuno di questi scenari è corretto, e l’Universo ha continuato ad espandersi ad una velocità di accelerazione, la CMB continuerà redshifting al punto in cui non è più rilevabile., A questo punto, sarà superato dalla prima luce stellare creata nell’Universo, e quindi dai campi di radiazione di fondo prodotti da processi che si presume avranno luogo nel futuro dell’Universo.
Abbiamo scritto molti articoli interessanti sullo sfondo delle microonde cosmiche qui a Universe Today. Ecco qual è la radiazione cosmica di fondo a microonde?, Big Bang Theory: Evoluzione del nostro universo, che cosa era l’inflazione cosmica?, La ricerca per capire il primo universo, Landmark Discovery: nuovi risultati forniscono prove dirette per l’inflazione cosmica, e quanto velocemente è l’universo in espansione? Hubble e Gaia si uniscono per condurre le misurazioni più accurate fino ad oggi.
Per ulteriori informazioni, consulta la pagina missione WMAP della NASA e la pagina missione Planck dell’ESA.
Astronomia Cast ha anche informazioni sull’argomento. Ascolta qui: Episodio 5-Il Big Bang e Cosmic Microwave Background