Cos'è la radiazione cosmica di fondo?

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Nel 1964 due ingegneri della società telefonica Bell Telephone, Arno Penzias e Robert Wilson, stavano conducendo degli esperimenti per testare il disturbo causato dall’atmosfera terrestre in previsione del lancio del primo satellite per telecomunicazioni (Telestar).

Durante questi test la loro antenna captò uno strano rumore di fondo, un segnale debole ma sempre presente. I due tecnici si misero subito all’opera per capire la ragione di questo segnale. Smontarono e rimontarono l’antenna, addirittura trovarono un nido di piccione al suo interno, ma nulla cambiò l’esito delle misurazioni, il rumore di fondo era sempre presente.

Ben presto arrivarono alla conclusione che doveva trattarsi di qualcosa esterno all’atmosfera terrestre, addirittura allo stesso sistema solare, che permeava tutto lo spazio indistintamente, visto che non era sensibile all’orientazione dell’antenna, ne alla posizione della Terra attorno al Sole durante l’anno.

I due scienziati ottennero anche un primo spettro di questa misteriosa sorgente, raccogliendo l’intensità del segnale luminoso in funzione della lunghezza d’onda, scoprendo che si trattava di un segnale prodotto da un corpo nero praticamente perfetto alla temperatura di circa 3 K.

Il loro lavoro si limitò a escludere meticolosamente qualsiasi fonte di disturbo locale; una volta eseguiti tutti i possibili test, che risultarono negativi, pubblicarono i risultati il 13 maggio 1965 nella rivista Astrophysical Journal, senza fare alcuna ipotesi fisica sulla natura di questa radiazione elettromagnetica.

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Spettro della radiazione cosmica di fondo: la temperatura dell'Universo

Appena letto l’articolo, gli astronomi dell’università di Princeton, alla ricerca di questa radiazione come prova dei loro modelli di Universo, subito capirono che quello che avevano teorizzato e si accingevano a cercare era stato già scoperto in modo inequivocabile (e incredibilmente fortuito) da Penzias e Wilson. Questa radiazione divenne la prova decisiva e più forte della nascita dell’Universo attraverso il Big Bang. 

Le misurazioni pionieristiche di Wilson e Penzias valsero ai due ingegneri il premio nobel per la fisica. La loro scoperta si rivelò essere una delle più importanti del secolo, al pari dell’espansione dell’Universo da parte di Hubble 35 anni prima. 

Il cielo è permeato da una radiazione elettromagnetica, uguale in ogni direzione, piccata alla lunghezza d’onda di circa 0,2 centimetri, che corrisponde alla parte dello spettro elettromagnetico centrata nelle microonde. Il profilo è perfettamente sovrapponibile a quello di un corpo nero con temperatura di 2,725 K.

Questa è la temperatura dell’Universo lontano da stelle, galassie e qualsiasi sorgente di calore.

La radiazione cosmica di fondo rappresenta l’eco del Big Bang, l’atto iniziale di formazione dell’Universo stesso. Essa è la prova che l’Universo ha avuto un’origine da un punto e si è poi espanso come confermato dall’osservazione del redshift cosmologico delle galassie.

La radiazione che osserviamo è giustificata in modo preciso da un modello che prevede la nascita dell’Universo attraverso il Big Bang e la successiva evoluzione seguendo le semplici e ben conosciute leggi della termodinamica, come se l’Universo stesso fosse un enorme contenitore di energia e gas in espansione. In perfetto accordo con i dati teorici, la radiazione cosmica di fondo è stata emessa dall’Universo quando aveva un’età compresa tra 300.000 e 400.000 anni, al tempo in cui la materia si disaccoppiò dalla radiazione. In altre parole, l’Universo, a quel tempo giovanissimo, divenne trasparente alla radiazione, che non interagì più con la materia e fu libera di scappare e vagare senza praticamente venirne più alterata. 

Al tempo del disaccoppiamento la radiazione aveva, a causa delle interazioni numerose con le particelle dell’Universo (in particolare gli elettroni), uno spettro di corpo nero perfetto alla temperatura dell’Universo nel momento appena antecedente il disaccoppiamento. Questa temperatura era di circa 4.000 K, con un’emissione piccata nel vicino infrarosso.

Perché la radiazione cosmica di fondo ora ci appare molto più fredda? Perché il picco dello spettro si è spostato da 950 nm a 0,2 cm? 

Semplice: l’espansione dell’Universo ha “redshiftato”, cioè spostato verso il rosso, anche questa radiazione e proprio in conseguenza all’espansione esso si è gradualmente raffreddato fino alla temperatura attuale. 

La radiazione cosmica di fondo rappresenta il dettaglio più giovane che possiamo osservare (attualmente) del nostro Universo.

Poiché guardando lontano nello spazio si guarda anche lontano nel tempo, non è possibile osservare a una distanza superiore a quella della radiazione cosmica di fondo, posta a circa 13,4 miliardi di anni luce.

L’Universo è sicuramente più grande, ma poiché la luce si propaga a velocità finita, noi non possiamo vedere oltre questo limite. Questo è il nostro orizzonte, limitato dall’età dell’Universo.

In questo stesso istante un osservatore posto a 13,5 miliardi di anni luce dalla Terra non vedrebbe il nostro pianeta, ma un’epoca che corrisponde al disaccoppiamento materia-radiazione. Egli osserverebbe esattamente quello che vediamo noi in questo momento nella direzione dello spazio dove dovrebbe trovarsi: la radiazione cosmica di fondo. 

La simultaneità nell’Universo è un concetto molto elastico; quello che per noi è adesso diventa un istante passato per ogni altro punto dell’Universo che stiamo osservando, maggiore quanto più lontano gettiamo lo sguardo.

Negli anni novanta del secolo scorso un satellite (COBE) fu lanciato dalla NASA per studiare in dettaglio forma e distribuzione della radiazione cosmica di fondo, alla scoperta di indizi che potessero gettare uno sguardo migliore sulle proprietà dell’Universo.

E’ naturale pensare, infatti, che se la radiazione che osserviamo era fino a quel momento accoppiata alla materia, interagendo continuamente con essa, e poi ne è uscita quasi completamente inalterata, allora deve conservare le proprietà e le caratteristiche della materia a quel tempo, deve contenere gli indizi per la futura evoluzione dell’Universo.

Possiamo infatti immaginare la radiazione cosmica di fondo come una specie di codice genetico dell’Universo (DNA): in essa è scritto tutto quello che riguarda l’evoluzione e il destino stesso, compresa la nascita di stelle e galassie.

Osservando e interpretando nel modo migliore questo codice genetico, possiamo avere un quadro di come si è evoluto l’Universo e di quale, probabilmente, sarà il suo destino.

Le immagini ricevute mostrarono un fondo cosmico presente e in perfetto accordo con quanto misurato da Terra fino a quel momento, con uno spettro tipico di un corpo nero, ma con delle leggerissime disuniformità spaziali, dette anisotropie: insomma, guardando più in dettaglio, la radiazione cosmica di fondo non era perfettamente omogenea come si era pensato e osservato fino a quel momento.

Differenze della temperatura della radiazione cosmica di fondo

Rimuovendo il disturbo causato dalla nostra galassia, anche essa emettitrice di microonde che possono disturbare l’emissione cosmica di fondo, e il contributo causato dal moto relativo a essa, la situazione apparve molto chiara. Benché a una temperatura di 2,725 K , erano evidenti piccolissime fluttuazioni di temperatura, dell’ordine di una parte su un milione: estremamente ridotte ma fondamentali per lo sviluppo dell’Universo così come lo conosciamo.

Queste piccolissime perturbazioni rappresentano i segni dell’evoluzione dell’Universo.

Crescendo nel tempo a causa della forza di gravità, le perturbazioni hanno dato origine alle galassie, alle stelle e a tutto quello che possiamo osservare. 

Se il fondo di radiazione, quindi l’Universo, non avesse avuto queste piccole increspature, non si sarebbe creata neanche una stella e non si sarebbe mai evoluto.

Una piccola perturbazione di una parte su un milione è invece sufficiente per trasformare l’Universo da un mare oscuro di particelle a un luogo pieno di galassie e stelle.

Coincidenza o parte di un disegno cosmico? I credenti vedranno la mano del creatore, gli atei lo vedranno solo come l’unico risultato che ha reso possibile la nostra stessa esistenza e il fatto che ora ci stiamo ponendo altre domande: se ci sono state altre combinazioni noi non lo sapremo mai, perché solo questa ci ha dato la vita.