La radiazione cosmica di fondo: dal Nobel 1978 a Penzias e Wilson al Nobel 2006 a Smoot e Mather
Amedeo Balbi
Dipartimento di Fisica, Universit di Roma Tor Vergata
http://www.fisica.uniroma2.it/balbi
[Giornale di Astronomia, vol. 33, n.1, marzo 2007]
La recente assegnazione del premio Nobel per la fisica 2006 a George Smoot e John Mather per i risultati ottenuti con il satellite COBE un ulteriore riconoscimento del ruolo svolto negli ultimi anni dalla cosmologia nellĠambito delle scienze fisiche. Un tempo considerata una disciplina minore a causa delle difficolt teoriche con cui doveva confrontarsi e di una cronica mancanza di riscontri osservativi, oggi la cosmologia non solo diventata una scienza a tutti gli effetti, ma anche un settore in rapido sviluppo e la page: le novit si susseguono a un ritmo frenetico, e non riguardano soltanto la comprensione delle propriet su grande scala del nostro universo, lo studio della sua origine e della sua evoluzione, ma hanno anche profonde implicazioni in vaste aree della fisica teorica e fondamentale.
Quando Stephen Hawking defin la rivelazione delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo da parte di COBE Òla scoperta scientifica del secolo, se non di tutti i tempiÓ aveva probabilmente deciso di rinunciare al proverbiale understatement anglosassone, ma non possiamo biasimarlo per lĠeccesso di enfasi. In effetti, non facile trovare un altro singolo fenomeno il cui studio abbia avuto ricadute cos numerose e della stessa portata di quelle ottenute dallĠinvestigazione della radiazione cosmica di fondo nellĠarco di soli quattro decenni. Due premi Nobel nel giro di poco meno di trentĠanni (lĠaltro era stato dato nel 1978 a Penzias e Wilson che lĠavevano scoperta nel 1965) sono una testimonianza che non ha bisogno di molti altri commenti.
Vale la pena per riguardare in prospettiva a questi ultimi quarantĠanni e fare una lista delle cose che abbiamo imparato dallo studio teorico e dallĠosservazione della radiazione cosmica di fondo.
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La nascita della cosmologia moderna solitamente fatta risalire alle osservazioni effettuate da Edwin Hubble negli anni venti del secolo scorso che, da un lato, stabilirono lĠesistenza di altre galassie simili alla nostra e, dallĠaltro, mostrarono la prima evidenza che lĠuniverso si espande. Ma fino allĠinizio degli anni sessanta non esisteva un modello teorico universalmente accettato che potesse interpretare in maniera univoca le osservazioni cosmologiche. Da un lato cĠera il modello del big bang, che aveva tra i suoi principali fautori George Gamow e Georges Lematre (il primo ideatore, Alexander Friedmann, era morto nel 1925, ancora prima che Hubble scoprisse lĠespansione dellĠuniverso): secondo questo modello lĠuniverso si stava espandendo a partire da uno stato di densit e temperatura infinita e, cos facendo, evolveva, attraversando stati fisici radicalmente diversi. Ma a questa idea di cosmo in evoluzione si opponeva il modello dello stato stazionario, propugnato da Fred Hoyle, secondo cui lĠuniverso era fondamentalmente immutabile, perch alla continua espansione dello spazio faceva fronte una costante creazione di materia: una creazione dal nulla, essenzialmente fuori dalla portata delle osservazioni (pochi atomi lĠanno in un volume simile a quello della nostra galassia) ma sufficiente a mantenere lo status quo nellĠuniverso.
Il confronto tra modello del big bang e stato stazionario fu per lungo tempo essenzialmente un duello di ingegni tra Gamow e Hoyle; una disputa anche piuttosto godibile, visto il carattere brillante dei due contendenti, e che fin spesso per occupare le pagine dei giornali e delle riviste scientifiche pi popolari con dibattiti seguti con molto interesse dal grande pubblico. Ma, in mancanza di un riscontro oggettivo che chiarisse definitivamente la questione, la cosa avrebbe potuto trascinarsi per anni e restare nellĠambito della pura speculazione.
La fine delle ostilit fu decretata negli ultimi mesi del 1964, quando due radioastronomi dei Bell Laboratories, Arno Penzias e Robert Wilson, captarono un misterioso eccesso di rumore nella loro antenna radio, a frequenze caratteristiche delle microonde. Il rumore era imprevisto, stando alle specifiche tecniche dellĠantenna, e oltretutto rimaneva della stessa intensit ovunque si puntasse lĠantenna (quindi non era dovuto a specifiche sorgenti nel cielo). Escluse tutte le possibili cause locali (tra cui le deiezioni di alcuni piccioni che avevano nidificato nellĠantenna e che furono sbrigativamente sacrificati sullĠaltare della scienza) Penzias e Wilson furono costretti a concludere che il rumore fosse di origine celeste: ma se non proveniva dalla nostra galassia o da altre sorgenti astrofisiche, cosa altro poteva averlo causato, se non lĠuniverso stesso?
A poche miglia di distanza dallĠantenna di Penzias e Wilson, un gruppo di cosmologi guidati da Robert Dicke stava nel frattempo cercando di captare esattamente questo tipo di segnale: il calore residuo del big bang, rimasto nellĠuniverso per miliardi di anni e raffreddatosi fino a temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto. Quando Dicke seppe che Penzias e Wilson lo avevano preceduto, fu abbastanza sportivo da spiegare ai due ignari radioastronomi quale fosse la causa del rumore che avevano rivelato: era la prova che lĠuniverso aveva attraversato una fase calda e densa, che il modello del big bang era corretto e quello dello stato stazionario no.
La scoperta della radiazione cosmica di fondo fu annunciata nel 1965, e Penzias e Wilson ebbero il Nobel per la fisica tredici anni dopo. La cosmologia aveva trovato un modello di riferimento, il modello del big bang, e cominciava a essere una scienza basata su osservazioni concrete.
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Se lĠuniverso ha davvero attraversato una fase in cui era enormemente pi caldo e pi denso di quanto non sia oggi, si deve necessariamente concludere che nei suoi primi istanti di vita esso fosse anche molto pi semplice da descrivere: una specie di magma indifferenziato in cui la materia era dissociata nelle sue forme pi elementari e nessuna struttura complessa poteva sopravvivere. Questo pone il problema di come sia potuta emergere lĠenorme quantit di aggregati di materia che forma la struttura su grande scala dellĠuniverso odierno: stelle, galassie, ammassi di galassie, unĠarchitettura complicata e di grande ricchezza. La forza di gravit unĠinstancabile costruttrice, in grado di ammassare la materia su se stessa in modo formidabile, e inoltre ha avuto miliardi di anni per agire: ma deve sempre partire da un nocciolo iniziale. Bisogna quindi ipotizzare che piccolissimi grumi di materiale abbiano fornito lĠimpalcatura di partenza per la lenta creazione delle gigantesche strutture cosmiche.
Se ci vero, queste lievi disuniformit dovevano essere presenti gi al momento in cui la radiazione di fondo ha iniziato il suo viaggio attraverso lĠuniverso, circa 380 mila anni dopo il big bang. UnĠimmagine molto sensibile della radiazione cosmica di fondo dovrebbe allora mostrare zone leggeremente pi calde e leggeremente pi fredde della media, in corrispondenza a regioni di universo che erano un poĠ pi dense o un poĠ meno dense della media.
Inoltre, se la radiazione cosmica di fondo davvero il residuo di unĠepoca in cui lĠintero universo era incandescente e la materia atomica era scomposta nei suoi costituenti elementari (protoni, neutroni ed elettroni liberi) essa deve avere una caratteristica molto precisa: deve avere una distribuzione energetica di corpo nero, la stessa che ha la radiazione emessa da una stella o quella presente dentro un forno. Un corpo nero che 380 mila anni dopo il big bang era a circa 3000 gradi Kelvin, ma che oggi dovrebbe trovarsi tutto intorno a noi a circa 3 gradi Kelvin.
La conferma di queste due previsioni chiave del modello del big bang (la natura di corpo nero della radiazione cosmica di fondo, e la presenza di minuscole fluttuazioni nella sua temperatura in direzioni diverse del cielo – le cosiddette anisotropie) stata inseguita dai cosmologi per oltre venticinque anni dopo la scoperta di Penzias e Wilson. Alla fine, ci voluta una missione spaziale appositamente progettata dalla NASA per ottenere il successo sperato. Agli inizi degli anni novanta, il satellite COBE, con i due esperimenti FIRAS (guidato da John Mather) e DMR (guidato da George Smoot) ha fatto fare unĠulteriore balzo in avanti alla ricerca cosmologica.
Sono bastati soltanto nove minuti di osservazioni a FIRAS (uno spettrometro costruito per misurare la distribuzione energetica dei fotoni osservati) per stabilire la natura di corpo nero della radiazione cosmica di fondo e la sua temperatura: 2.725 K. La radiazione cosmica di fondo cos precisamente rispondente alla descrizione teorica ideale di un corpo nero che non se ne conoscono altri casi analoghi n in natura n in laboratorio.
La scoperta delle anisotropie stata pi laboriosa. Il radiometro differenziale DMR (un dispositivo in grado di misurare differenze di temperatura lievissime tra zone diverse del cielo) ha dovuto operare per diversi mesi, e man mano che i dati venivano analizzati veniva esclusa la presenza di anisotropie con un grado di precisione crescente. Nel 1992, quando ormai sembrava che la ricerca fosse sul punto di dare esito negativo, il team guidato da Smoot annunci di aver trovato lĠevidenza che le fluttuazioni esistevano ed erano pi o meno del livello previsto dai modelli teorici: qualche decina di milionesimo di grado Kelvin. Un ulteriore straordinario successo per il modello del big bang e per la cosmologia.
I risultati di COBE davano inoltre credito a una rivoluzionaria teoria introdotta negli anni ottanta per spiegare, tra le altre cose, proprio la presenza di lievi disuniformit nellĠuniverso primordiale: lĠinflazione, proposta dal fisico teorico Alan Guth, un esempio di fecondo interscambio tra le teorie pi speculative della fisica delle particelle e la descrizione dellĠorigine dellĠuniverso tentata dalla cosmologia moderna. Secondo lĠinflazione, i semi da cui ha avuto inizio la formazione di struttura hanno avuto origine una minuscola frazione di secondo dopo il big bang, in seguito allĠagitazione casuale prevista dalla meccanica quantistica per la materia alle scale subatomiche (il principio di indeteminazione di Heisenberg). Ecco quindi che il legame tra fisica fondamentale e cosmologia, essenziale per capire le prime fasi di vita dellĠuniverso, viene rafforzato proprio dai risultati di COBE.
Figura 1. La mappa delle lievi fluttuazioni di temperatura (poche decine di milionesimi di grado Kelvin rispetto alla media, che di 2.725 gradi Kelvin) misurata dallĠesperimento DMR a bordo del satellite COBE (Immagine archivio LAMBDA/NASA: http://lambda.gsfc.nasa.gov/).
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Lo straordinario successo di COBE ha funzionato da catalizzatore, mettendo in moto unĠattivit di ricerca senza precedenti. Negli ultimi dieci anni lo studio della radiazione cosmica di fondo diventato uno dei settori pi competitivi non solo della cosmologia ma della fisica in generale. I risultati di COBE sono stati confermati e raffinati da un numero enorme di esperimenti, per lo pi condotti da terra o con apparati montati su palloni stratosferici. Tra questi ultimi, un ruolo da protagonista lo hanno svolto due collaborazioni internazionali, MAXIMA e BOOMERANG, che a cavallo del nuovo millennio hanno osservato con occhio molto pi acuto di COBE la struttura fine delle anisotropie. Lo scopo era quello di costruire una statistica dettagliata delle ÒmacchieÓ di temperatura, per verificare una delle previsioni pi affascinanti delle teorie cosmologiche basate sul modello del big bang e sullĠinflazione: la presenza di onde sonore nellĠuniverso primordiale, causate dallĠalternarsi di fasi di compressione e rarefazione messe in moto dai processi di formazione delle strutture.
MAXIMA e BOOMERANG hanno mostrato la prima evidenza della presenza di queste onde acustiche, osservando la frequenza fondamentale dei modi di oscillazione, analoga a quella che stabilisce lĠaltezza della nota prodotta da una corda vibrante. Questa frequenza fondamentale associata a una precisa lunghezza dĠonda che pu essere dedotta dalla dimensione angolare media delle macchie sulla radiazione di fondo. Una conseguenza straordinaria di questa osservazione che la dimensione angolare osservata varia a seconda della geometria dellĠuniverso, semplicemente perch i fotoni viaggiano lungo traiettorie diverse in universi di geometria diversa. La geometria dellĠuniverso stabilita, secondo la teoria della relativit generale di Einstein, dal suo contenuto complessivo di materia. Quindi misurare la frequenza fondamentale delle oscillazioni acustiche equivale a ÒpesareÓ lĠuniverso. Dalle misure di MAXIMA e BOOMERANG si dedotto che la geometria dellĠuniverso di tipo euclideo, ovvero piatta (i fotoni viaggiano cio lungo traiettorie parallele), e che quindi la sua densit complessiva deve essere pari a un certo valore critico. Un sogno inseguito dai cosmologi per decenni, quello di ottenere un inventario del contenuto dellĠuniverso, diventato quindi realt, di nuovo grazie allo studio della radiazione cosmica di fondo.
Dove siamo oggi? Il successore di COBE, il satellite WMAP, lanciato dalla NASA per osservare la radiazione cosmica di fondo con una precisione e un dettaglio angolare molto maggiore, ha prodotto i suoi primi risultati nel 2003, e ha da pochi mesi pubblicato i risultati aggiornati dopo tre anni di osservazioni. é molto probabile che le osservazioni di WMAP, e prima ancora quelle di MAXIMA e BOOMERANG e degli altri esperimenti, abbiano giocato un ruolo decisivo nel convincere i membri dellĠAccademia delle Scienze svedese ad assegnare il Nobel 2006 a Smoot e Mather. I risultati di COBE sono stati infatti ormai confermati al di l di ogni ragionevole dubbio.
Ma i dati di WMAP hanno svelato molti altri misteri del nostro universo, rivelando la presenza di armoniche che si accompagnano alla frequenza fondamentale delle oscillazioni acustiche primordiali, analoghe a quelle che conferiscono un timbro specifico alla nota emessa da uno strumento musicale. La misura della struttura dettagliata di queste armoniche (il loro spettro in frequenza) ha permesso di effettuare stime molto accurate dei parametri cosmologici che stabiliscono le propriet fisiche dellĠuniverso. Ad esempio, grazie a WMAP oggi sappiamo non solo qual la densit totale dellĠuniverso, ma anche che essa non spiegabile dalla massa complessiva di tutta la materia atomica (che raggiunge appena il 5 per cento del totale). é molto probabile che sia presente una grande quantit (fino al 25 per cento circa) di materia oscura di natura ancora ignota e, fatto ancora pi sorprendente, una ancora pi grande quantit di energia oscura, con propriet particolarmente misteriose, tali da portare lĠuniverso ad accelerare la sua espansione sotto il dominio di una forma di gravit repulsiva. Sulla natura dellĠenergia oscura al momento aperta una forsennata attivit di indagine, che si serve, oltre che dello studio della radiazione cosmica di fondo, anche di altri tipi di osservazioni cosmologiche.
I dati di WMAP hanno inoltre ulteriormente consolidato lĠidea che qualcosa di simile a quanto ipotizzato dalla teoria dellĠinflazione abbia avuto luogo nellĠuniverso primordiale, anche se i dettagli precisi hanno ancora bisogno di essere raffinati. Alcuni risultati di WMAP, dĠaltra parte, lasciano aperti dubbi che dovranno essere affrontati nei prossimi anni da ulteriori osservazioni. Particolarmente interessante il fatto che le anisotropie su scale angolari molto grandi sembrano essere meno intense del previsto: detto in altri termini, le frequenze molto basse nello spettro acustico sembrano essere soppresse. Se questo sia dovuto a un semplice accidente statistico (la nostra posizione nellĠuniverso una fra le tante possibili, e potremmo trovarci in una regione con caratteristiche leggermente diverse dalla media) oppure se sia unĠindicazione di qualche fenomeno fisico non ben compreso, ancora oggetto di controversia. Una possibile spiegazione potrebbe essere fornita dai modelli di universo con topologia compatta: universi cio di forma non banale che, ad esempio, hanno un volume finito pur avendo una geometria euclidea e nessun limite fisico. Prima per di abbandonare i modelli classici di universo bisogner avere evidenze molto pi schiaccianti di quelle attuali.
Altre novit importanti dei nuovi risultati di WMAP riguardano proprio le previsioni della teoria dellĠinflazione. I dati attuali sembrano mostrare una preferenza per fluttuazioni di densit di ampiezza maggiore su scale pi grandi: un fatto che, se confermato, potrebbe servire a restringere il campo dei modelli accettabili di inflazione. Sembra invece accantonata la possibilit che la reionizzazione degli atomi di idrogeno (dovuta al rilascio di energia che accompagna la formazione delle prime generazioni di stelle) sia stata molto precoce: questo risultato, ottenuto nel corso della prima analisi dei dati di WMAP, aveva causato un forte interesse tra gli astrofisici che esplorano le epoche oscure dellĠuniverso, cio la lunga fase che precede la nascita delle galassie.
Nel prossimo futuro, il satellite Planck dellĠESA (che verr lanciato nel 2008) potr risolvere molti dei dubbi residui. Ad esempio, la sua capacit di risolvere minuscoli dettagli sar tale da consentirgli di ricostruire lĠintero spettro acustico, fino a frequenze cos alte da non mostrare pi oscillazioni (infatti, proprio come avviene nellĠaria, le onde sonore di frequenza troppo alta non riescono a propagarsi nellĠuniverso primordiale). La grande ricchezza di informazioni celate nello spettro verr portata interamente alla luce da Planck, permettendo di stimare i parametri cosmologici con un livello di precisione mai raggiunto prima. Inoltre, restano ancora quasi completamente inesplorate le propriet di polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. Gli esperimenti DASI e, pi di recente, BOOMERANG e WMAP, hanno misurato le prime evidenze dellĠesistenza di una componente polarizzata al livello previsto dalla teoria, ma ancora molto dovr essere fatto per portare alla luce tutte le potenzialit racchiuse in questo nuovo filone di ricerca. Anche in questo, Planck sar in grado di dare un contributo fondamentale.
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La radiazione cosmica di fondo stata negli scorsi quarantĠanni una fonte preziosa di informazioni sulla natura del cosmo. Non sappiamo quali altre sorprese ci riserva ancora lo studio di questo affascinante residuo fossile del big bang. Solo il tempo potr rispondere a tutte le domande che aspettano una risposta, inclusa quella che molti si saranno fatti dopo lĠannuncio del 3 ottobre 2006: cĠ un altro Nobel nel futuro della radiazione cosmica di fondo?
LĠautore. Amedeo Balbi ricercatore presso il Dipartimento di Fisica dell'Universit di Roma ÒTor VergataÓ. Laureato in fisica e dottore di ricerca in astronomia, si occupa di astrofisica e cosmologia, in particolare dello studio della radiazione cosmica di fondo. Ha pubblicato numerosi articoli di ricerca su riviste scientifiche internazionali. Oltre all'attivit didattica per i corsi di laurea e di dottorato, tiene regolarmente conferenze e seminari, anche per non specialisti. In passato ha lavorato tra l'altro all'Universit di Berkeley in California con George Smoot (premio Nobel 2006 per la fisica), collaborando all'esperimento MAXIMA, uno dei primi a produrre immagini dettagliate della radiazione cosmica di fondo e a misurare la geometria dellĠuniverso. Tra le sue attivit attuali c' la partecipazione alla realizzazione della missione spaziale Planck dell'ESA.
