La radiazione cosmica di fondo

La radiazione cosmica di fondo

L’osservazione dell’universo “nel suo insieme”

Federico Pasqualotto

V liceo scientifico sez. A

Collegio Ballerini

Anno scolastico 2008 – 2009

Indice

Introduzione 3

Capitolo 1. Coincidenze spiegate: ovvero come sia possibile rivoluzionare la scienza con un’antenna. 5

1.0: Il fondo cosmico di microonde 5

1.1: Penzias, Wilson e la casuale scoperta 5

1.2: La vera natura della radiazione di fondo: una prova schiacciante a favore del “Big bang” 8

1.3: Premesse: il redshift cosmologico, il fattore di scala, la densità di massa-energia di una componente di fotoni 10

1.4: Il passaggio dall’era dominata dalla radiazione all’era dominata dalla materia 12

1.5: La liberazione della radiazione cosmica di fondo e la sua evoluzione 13

Capitolo 2. La cosmologia con il fondo cosmico: ovvero l’utilità di un rumore radio dai più profondi recessi dell’universo. 17

2.0: L’anisotropia della radiazione cosmica e l’universo primordiale 17

2.1: Scale angolari e spettro di potenza della radiazione cosmica di fondo 18

2.2: La determinazione di alcuni parametri cosmologici a partire dalla misurazione della radiazione cosmica di fondo 22

Capitolo 3. Il satellite Planck e i recenti sviluppi: ovvero in che modo un telescopio riesca a vedere più lontano degli altri. 27

3.0: Nuovi strumenti, nuove prospettive 27

3.1: Il satellite Planck: le specifiche e la missione 30

3.2: Gli esperimenti: High Frequency Instrument e Low Frequency Instrument 32

Conclusione. Enigmi cosmici: ovvero la necessità di spiegare il 96 per cento della materia nell’universo. 36

Bibliografia, sitografia e fonti fotografiche 39

In copertina: Vincent Van Gogh, Sternennacht (Notte stellata), olio su tela, 73x92 cm, 1889, Museum of Modern Art, New York 2

Introduzione

“Chi ha raggiunto lo stadio di non meravigliarsi più di nulla dimostra semplicemente di aver perduto l’arte del ragionare e del riflettere”

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Sin dal primo impatto col mondo della Fisica, essa mi ha catturato. Il primo incontro avvenne durante il terzo anno di liceo quando, in visita all’Università degli Studi di Milano per partecipare ad un laboratorio di Biologia, entrammo en passant nel Dipartimento. L’esperienza fu abbastanza particolare, poiché davanti a me si parò quella che sembrava una grossa scatola metallica, posta in fondo all’atrio. In un primo momento, fui tentato di capire il significato della suddetta scatola, ma anche leggendo la targhetta ad essa appesa, la quale recava scritto “camera di Wilson”, non vi riuscivo. Così, sebbene possa apparire alquanto strano, il Dipartimento ha iniziato ad esercitare su di me un grande fascino ed un grande ascendente, ponendomi questioni che, al tempo, ritenevo piuttosto essenziali per la mia esistenza: che cos’era quella enorme scatola? E poi, che cosa si parava dietro la facciata di quel mondo? Figura 0: la camera di Wilson (camera a bolle) conservata nell’atrio del Dipartimento di fisica

L’anno seguente, in quarta scientifico, scoprii che la grande scatola serviva al rilevamento di particelle atomiche di alta energia, le quali lasciavano nel gas soprassaturo contenuto in essa delle tracce in guisa di piccole gocce, piegate a piacere dai campi magnetici. Ebbi inoltre la fortuna di partecipare a dei seminari di Fisica moderna, la quale esercitava su di me un fascino alquanto marcato; ma l’evento più “drammatico” fu la partecipazione ad un laboratorio di tre giorni, nel quale prendemmo in considerazione la radiazione cosmica di fondo. Dopo un pomeriggio introduttivo, in cui ci vennero spiegati molti fatti teorici, ci preparavamo per due pomeriggi di sperimentazione, grazie alla quale ingenuamente ritenevo avremmo misurato proprio quella radiazione. Fummo invece introdotti in una piccola sala nella quale rimanemmo per tutto il pomeriggio a testare le caratteristiche angolari di un’antenna.

Un’attività poco poetica. Ed in effetti, la Fisica pare a molti una disciplina poco poetica: a volte, come in quella circostanza, lo è parso anche a me. Ma ritengo con forza che essa, nonostante tutto, assuma un valore al di là dello squallore del mero aspetto numerico.

La mia ricerca prende le mosse proprio da quel pomeriggio in cui testai l’antenna. Essa, benché in se stessa sia poco poetica, fa parte di una entusiasmante storia che dura da più di quarant’anni, in cui io mi trovai, quasi senza accorgermene, immerso. Sebbene sia anch’essa storia di vermucci, ho ritenuto opportuno approfondirla, per le notevoli conseguenze da essa derivanti, di ordine fisico in primo luogo, ma anche di ordine cosmologico e, in qualche misura, filosofico. Essa è la storia di una forma di “luce” a microonde che da 300.000 anni a partire dal Big Bang pervade uniformemente l’universo. Tramite la sua analisi, si è giunti a notevoli conclusioni in campo astronomico, soprattutto negli ultimi anni, con l’adozione di sofisticate tecnologie.

Nell’approfondimento ho scelto pertanto di procedere con un’impostazione quadripartita: inizialmente si tratterà della scoperta della radiazione cosmica di fondo e della sua comprensione a livello teorico. In secondo luogo, si prenderanno in considerazione le notevoli conseguenze a livello cosmologico, nella conoscenza dell’universo nel suo insieme, assunte dalla radiazione stessa. Quindi si procederà ad una concisa esposizione del satellite Planck, frutto di diciassette anni di lavoro da parte di un team internazionale di fisici, tra cui alcuni dell’Università degli Studi di Milano. Infine si delineeranno dei cenni sui problemi ancora aperti nel nostro modello fisico dell’universo, tesi ad evidenziare come l’attuale modello del cosmo sia ancora a livelli di forte incompletezza.

Nell’approfondimento si sono rivelati di fondamentale importanza i contributi dedotti dall’esperienza di laboratorio presso l’Università degli Studi di Milano, nel febbraio 2008. Un notevole apporto è stato inoltre fornito da alcuni aggiornamenti sulla missione Planck che ho potuto ricevere subito dopo il suo lancio (avvenuto il 14 maggio 2009), assistendo ad una conferenza divulgativa di Marco Bersanelli, il 23 maggio 2009.

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1 MAX PLANCK, Scientific Autobiography and Other Papers, New York 1949, Philosophical Library

2 LUIGI PIRANDELLO, Il fu Mattia Pascal, Milano 1904, Treves 3

Capitolo 1. Coincidenze spiegate: ovvero come sia possibile rivoluzionare la scienza con un’antenna

1.0: Il fondo cosmico di microonde

L’astronomia è stata caratterizzata, sin dai suoi albori, da uno strumento il quale ha completamente mutato, in seguito alla rivoluzione scientifica, la nostra concezione dell’universo intero: il telescopio. In tal modo, la classica immagine dell’astronomo, assorto a scrutare il buio della notte, si ripete anche in tempi moderni. Basti pensare ad Edwin Hubble, a cui si devono le approfondite ricerche sull’espansione dell’universo; egli scoprì la famosa “legge di Hubble” misurando dal celebre telescopio Hale di monte Palomar, in California, nel 1929.

Nella seconda parte del Novecento, tuttavia, si è verificata un’evoluzione tecnologica a ritmi frenetici. Anche l’astrofisica e l’astronomia hanno risentito dell’epocale cambiamento, così che l’astronomo non è più colui che, affascinato, osserva il cielo con un telescopio; piuttosto, una sua raffigurazione tipica potrebbe essere quella che lo ritrae di fronte allo schermo di un computer (ciò non toglie, tuttavia, che egli sia comunque affascinato). La tecnologia ha infatti permesso di andare a sondare lunghezze d’onda che vanno al di là del visibile, rendendo così l’uomo capace di vedere anche là dove l’occhio umano avverte il buio assoluto.

La trattazione dell’universo svolta utilizzando tali tecniche risulta essere alquanto peculiare: non si osserva la luce emessa nelle ultime centinaia di milioni di anni da galassie più o meno simili alla nostra, ma si scandagliano forme di radiazione impercettibili all’occhio umano, come la radiazione cosmica di fondo. In quanto invisibile agli occhi, essa non venne scoperta prima del 1965: l’umanità si accorse della sua presenza per un evento fortuito.

Figura 1.1: E. Hubble mentre osserva il cielo

1.1: Penzias, Wilson e la casuale scoperta

La compagnia telefonica Bell, nel 1964, aveva commissionato la ricerca sulle comunicazioni con un satellite (il satellite Echo); per la ricezione di dati dal satellite il Bell Telephone Laboratory disponeva di un’antenna, a forma di “corno”, di circa 6 metri di diametro. Tali caratteristiche la rendevano ideale per l’osservazione degli oggetti stellari nelle frequenze delle onde radio.

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Due radioastronomi, Arno A. Penzias e Robert W. Wilson, cominciarono ad utilizzare l’antenna per misurare l’intensità delle onde radio ad elevate latitudini galattiche, ossia approssimativamente in maniera perpendicolare al piano della Via Lattea.

Questo tipo di misurazione risulta essere alquanto ostico. Le onde radio provenienti dalla nostra galassia possono essere considerate come una sorta di “rumore”, paragonabile a quel rumore “bianco” presente nel momento in cui si sintonizza una radio analogica su una frequenza dove non si verifica alcuna ricezione. Risulta pertanto difficile discernere la misura cui si è interessati da tutti i fattori che producono un “rumore” simile, i quali tuttavia non rientrano nell’emissione del corpo celeste.

Ad esempio, al “rumore” della galassia (che si vuole misurare) si aggiungono quello prodotto dai circuiti interni dell’antenna, quello prodotto dall’atmosfera, e molti altri fattori indesiderati.

Penzias e Wilson desideravano avere una misurazione dell’emissione radio della nostra galassia, ovverosia del cielo stesso (e non di un particolare oggetto). Pertanto si doveva procedere alla sistematica eliminazione di ogni forma di segnale che provenisse non dal cielo, ma da fattori esterni, o interni all’antenna.

Alcuni controlli preliminari dell’antenna avevano rivelato delle discrepanze alle quali non si poteva fornire una spiegazione, ma a cui era associato, con grande probabilità, un eccesso di rumore elettrico interno all’antenna. Per eliminare ogni sorta di dubbio, Penzias e Wilson si servirono di un dispositivo noto come «carico freddo» (cold load), il quale serviva da “confronto” per le misurazioni: esso consisteva in un campione di elio liquido raffreddato a circa 4 Kelvin. Penzias e Wilson operarono in tal modo: misurarono prima la potenza proveniente dal cold load, ed in seguito la potenza proveniente dal cielo. Sottraendo dalla misurazione del cielo la misurazione del cold load (la quale rendeva conto unicamente del rumore elettrico dell’antenna) si poteva dunque discriminare il rumore elettrico dell’antenna, misurando unicamente i contributi esterni ad essa.

Figura 1.2: Penzias e Wilson in primo piano, la massiccia struttura dell’antenna sullo sfondo

A causa della minuzia con cui l’antenna era stata costruita, Penzias e Wilson ritenevano che il rumore elettrico all’interno della sua struttura dovesse essere minimo. Nell’intento di verificare questo assunto, cominciarono le osservazioni alla lunghezza d’onda di 7,35 centimetri, in corrispondenza della quale i cosmologi non prevedevano particolari fonti di radiazione dall’universo. Penzias e Wilson avrebbero solamente dovuto sottrarre il restante contributo di “rumore” derivante dall’atmosfera, e si attendevano, a quel punto, di avere segnale zero. Sarebbe stato allora possibile procedere allo studio della galassia stessa a una lunghezza d’onda maggiore, attorno a 21 centimetri, in corrispondenza della quale si prevedeva che il rumore radio galattico fosse apprezzabile.

Onde siffatte (la cui lunghezza d’onda è di 7,35 cm oppure 21 cm) sono note come “microonde”. Il prefisso micro- non è posto perché la loro lunghezza d’onda sia breve, ma poiché, in confronto alle onde utilizzate dai radar nella seconda guerra mondiale, esse sono più corte.

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Non poco stupore destò la scoperta di un considerevole segnale, nella primavera del 1964, alla lunghezza d’onda di 7,35 centimetri. La sua caratteristica più misteriosa era l’uniformità. Tale rumore non dipendeva dalla direzione in cui il cielo era osservato, non variava con l’ora del giorno o con l’avvicendarsi delle stagioni. Penzias e Wilson esclusero che tale radiazione provenisse dalla nostra galassia. Se così fosse stato, ragionevolmente i due radioastronomi avrebbero dovuto ricevere un forte segnale dalla galassia di Andromeda, M31, alla stessa lunghezza d’onda di 7,35 centimetri. Tale segnale non veniva ricevuto. Il fatto più sorprendente, tuttavia, risultava essere l’assenza di ogni variazione in funzione della direzione del rumore a microonde: tale connotazione metteva in evidenza la provenienza delle onde da un volume dell’universo infinitamente più grande della nostra Via Lattea.

Figura 1.3: la galassia di Andromeda, M31 nel catalogo di Messier

La necessità dell’eliminazione di ogni rumore radio all’interno dell’antenna divenne perciò prioritaria. In particolare, si sapeva che una coppia di piccioni era andata ad alloggiare nell’imbuto dell’antenna. I piccioni furono catturati e spediti alla sede di Whippany dei Bell Laboratories; liberati, furono nuovamente trovati nell’antenna di Holmdel alcuni giorni dopo; catturati di nuovo, furono finalmente scoraggiati dal fare dell’antenna una piccionaia con il ricorso a mezzi più energici. Eliminata la presenza dei piccioni, all’inizio del 1965 si smontò l’antenna per ripulirla accuratamente. Tuttavia tale procedura provocò solo una minima diminuzione del rumore radio ricevuto. Rimaneva pertanto inspiegata la provenienza del rumore radio.

L’unico dato numerico di cui disponevano Penzias e Wilson consisteva nell’intensità della radiazione da loro osservata. Essi la descrissero utilizzando il linguaggio dei radiotecnici, i quali associano ad ogni radiazione una temperatura caratteristica. Come più ampiamente descritto nel § 1.5, un corpo perfettamente opaco, cavo al suo interno (in gergo “corpo nero”), emette radiazione con caratteristiche determinate dalla sua temperatura.

Figura 1.4: misurazione svolta da Penzias e Wilson sull’antenna a Holmdel. Si possono notare la temperatura del calibratore (cold load, il picco più a sinistra) e il fondo del cielo, sensibilmente discostato da esso.

Così, è possibile immaginare l’universo come un corpo cavo, il quale emette una certa radiazione (quella misurata da Penzias e Wilson). A tale radiazione è possibile associare una temperatura, detta “temperatura equivalente”, ovvero la temperatura alla quale dovrebbe trovarsi l’universo in modo tale da emettere le onde captate da Penzias e Wilson.

Dalle misurazioni svolte, Penzias e Wilson dedussero la temperatura equivalente della radiazione osservata, ed essa risultava essere di circa 3,5 gradi al di sopra dello zero assoluto: una discrepanza apprezzabile, ma molto fine. Perciò Penzias e Wilson ebbero una cura maniacale nell’esaminare le caratteristiche dell’antenna, in modo tale da poter essere certi della effettiva provenienza di tale discrepanza dal cielo, e non da errori di tipo elettrico. Le misurazioni sarebbero state rivoluzionarie: non fu subito chiaro che tale scoperta costituiva, dopo la scoperta della legge di Hubble, la seconda grande svolta nella cosmologia del XX Secolo.

1.2: La vera natura della radiazione di fondo: una prova schiacciante a favore del “Big bang”

Il significato del misterioso rumore a microonde cominciò ben presto a essere chiarito. I due studiosi pubblicarono sull’Astrophysical journal (vol. 142, p. 419-421) una nota dal modesto titolo di A measurement of Excess Antenna Temperature at 4,080 Mc/s, ovvero: Misurazione di una temperatura in eccesso all’antenna a 4080 milioni di cicli al secondo. In tale nota non si forniva alcuna prospettiva teorica rispetto all’evidenza sperimentale. L’approccio teorico venne approntato da un gruppo di ricercatori formato da Dicke, Peebles, Roll e Wilkinson, i quali tentarono di spiegare come il segnale osservato dai ricercatori della Bell fosse in realtà una “radiazione fossile”, risalente ai primordi dell’universo. La nota di riferimento è Cosmic Black-Body Radiation, comparsa sull’Astrophysical journal (vol. 142, p. 414-419, subito dopo la nota di Penzias e Wilson). Nonostante ciò, nel 1978 il premio Nobel in merito a tali scoperte venne conferito solamente a Penzias e Wilson, e non si proferì il nome del gruppo di scienziati i quali avevano fornito il dato teorico.

Figura 1.5: incipit della nota di Penzias e Wilson

A livello qualitativo, il ragionamento teorico sotteso a tali argomenti risulta essere il seguente. Se, come ha evidenziato Hubble, l’universo è in espansione, esso, in un arbitrario momento indietro nel tempo, dovrà necessariamente essere stato molto più denso e molto più caldo di ora. Infatti l’universo può essere paragonato ad un gas: comprimendosi, esso si riscalda. Dunque, più si va indietro nel tempo, più le condizioni di temperatura si fanno elevate.