Due nuovi strumenti per studiare il Big Bang

L’immagine mostra le anomalie nella Cosmic Microwave Background. (Crediti:ESA and the Planck Collaboration).

Secondo le teorie cosmologiche più accreditate, l’Universo nacque con una grande implosione all’incirca 13,8 miliardi di anni fa. Per quasi 400.000 anni è rimasto una nebbia opaca e ribollente di plasma e di energia. Successivamente, nell’epoca conosciuta come “ricombinazione”, la temperatura è scesa abbastanza da permettere la formazione di atomi elettricamente neutri. I fotoni hanno cominciato a viaggiare liberamente e la luce che conosciamo come Radiazione Cosmica di Fondo (Cosmic Microwave Background, CMB) pervase il cielo, lasciandosi numerosi indizi sui primi momenti dopo la generazione degli atomi.

“Per quanto ne sappiamo, questo è quadro più remoto che possiamo avere; si ottiene una immagine dell’universo com’era quando aveva circa 389 mila anni di età”, ha spiegato John Mather del NASA Goddard Space Flight Center di Greenbelt, membro del James Webb Space Telescope. Insieme a George Smoot ha vinto il Premio Nobel nel 2006 per la fisica grazie al loro lavoro sulla missione della NASA Cosmic Background Explorer.

La CMB, che è stata rilevata per la prima volta nel 1964, è sorprendentemente uniforme. Ma COBE ha scoperto nel 1992 che è costellata da piccole variazioni di temperatura che sono state monitorate più precisamente da altre due missioni spaziali: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe della NASA (WMAP) e dal veicolo spaziale europeo Planck. Le zone calde e fredde – che differiscono dai loro dintorni omogenei a livello di solo 1 parte su 100.000 – evidenziano le aree a densità differenziata. “Si può immaginare un punto freddo come un gravitational overdensity sullo sfondo di uno scenario omogeneo”, ha detto Al Kogut del NASA Goddard, che ha lavorato su COBE e WMAP per mappare la CMB. La luce che proviene a noi da queste densità gravitazionali perde energia. Di conseguenza, i punti freddi nel cielo con emissioni a microonde sono i luoghi dove non c’è materia in più né energia.  Queste fluttuazioni di densità sono all’origine della formazione delle stelle, delle galassie e di tutte le altre strutture che osserviamo nell’Universo di oggi.

L’immagine mostra la storia dell’Universo sulla base del modello inflazionistico del Big Bang. (crediti: NASA/WMAP).

La maggior parte dei ricercatori pensa che il Big Bang sia avvenuto durante un periodo drammatico ed estremamente breve di inflazione, che ha avuto inizio circa 10-36 secondi dopo la nascita dell’Universo. Durante l’inflazione, questo periodo caratterizzato da fluttuazioni quantistiche spontanee, l’Universo si espandeva con una velocità superiore a quella della luce, raddoppiando di dimensioni forse 100 volte o più in poche minuscole frazioni di secondo. La teoria della Relatività Speciale di Einstein sostiene che nessuna informazione o materia può viaggiare più veloce della luce attraverso lo spazio, ma questa regola non vale per l’inflazione dato che con questo termine si intende l’espansione dello spazio stesso. La mappatura precisa della CMB eseguita da COBE, WMAP e Planck ha fornito un forte sostegno alla teoria dell’inflazione, contribuendo a confermare la sua posizione come teoria-quadro nella spiegazione dei primi istanti dell’Universo. Eppure questa mappa della CMB non ha ancora rivelato una chiara “pistola fumante” per l’inflazione.

Cosa dicono le onde gravitazionali? Secondo la teoria dell’inflazione, la drammatica espansione dello spazio sarebbe stata generata da onde di gravità, che a loro volta hanno prodotto un tipo di polarizzazione della CMB – nota come B-modes – rivelando ulteriori dettagli sul processo di inflazione (soprattutto sui livelli di energia a cui è avvenuta). Charles Bennett, della Johns Hopkins University  di Baltimora sta partecipando alla costruzione di uno strumento – chiamato Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) – che potrebbe entrare in funzione il prossimo anno. Insieme al PIPER (short for Primordial Inflation Polarization Explorer), che effettuerà il suo primo volo nel 2015, potrà raccogliere ulteriori informazioni sulle CMB.  Ho già parlato dei B-modes: l’avventura è appena iniziata.

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