Per migliaia di anni, l'essere umano ha contemplato l'Universo e ha cercato di determinarne la vera estensione. E mentre i filosofi antichi credevano che il mondo fosse costituito da un disco, uno ziggurat o un cubo circondato da oceani celesti o da qualche tipo di etere, lo sviluppo dell'astronomia moderna ha aperto i loro occhi su nuove frontiere. Nel XX secolo, gli scienziati hanno iniziato a capire quanto sia vasto (e forse anche infinito) l'Universo.
E nel corso dello sguardo più lontano nello spazio e più indietro nel tempo, i cosmologi hanno scoperto alcune cose davvero sorprendenti. Ad esempio, durante gli anni '60, gli astronomi sono venuti a conoscenza della radiazione di fondo a microonde 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:
Il CMB è essenzialmente 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 contenga sottili indicazioni di come si siano formate le prime stelle e galassie. Mentre questa radiazione è invisibile utilizzando i telescopi ottici, i radiotelescopi sono in grado di rilevare il debole segnale (o bagliore) più forte nella regione delle microonde dello spettro radio.
Il 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 in uno stato di espansione sin 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 per il Teoria del Big Bang e moderni modelli cosmologici (come il Lambda-CDM modello). Secondo la teoria, quando l'Universo nacque 13,8 miliardi di anni fa, tutta la materia era condensata in un singolo punto di densità infinita e calore estremo. A causa del calore estremo e della densità della materia, lo stato dell'Universo era altamente instabile. Improvvisamente, questo punto ha iniziato ad espandersi e l'Universo come lo conosciamo ha avuto inizio.
A quel tempo, lo spazio era pieno di un bagliore uniforme di particelle di plasma incandescenti, che consistevano 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. Ecco perché questa epoca viene colloquialmente chiamata 'Secolo Oscuro'.
Man mano che l'Universo continuava ad espandersi, si raffreddava fino al punto in cui gli elettroni erano in grado di combinarsi con i protoni per formare atomi di idrogeno (noto anche come 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 oggi (cioè trasparente e permeato dalla luce). Nei successivi miliardi di anni, l'Universo ha continuato ad espandersi e a raffreddarsi notevolmente.
A causa dell'espansione dello spazio, le lunghezze d'onda dei fotoni sono cresciute (sono diventate 'spostate verso il rosso') fino 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 oggi l'Universo e appaiono come un bagliore di fondo che può essere rilevato nell'infrarosso lontano e nelle lunghezze d'onda radio.
Storia dello studio:
L'esistenza del CMB è stata 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 di elementi leggeri (idrogeno, elio e litio) durante il primissimo Universo. In sostanza, si resero conto che per sintetizzare i nuclei di questi elementi, l'Universo primordiale doveva essere estremamente caldo.
La linea temporale del Big Bang dell'Universo. I neutrini cosmici influenzano il CMB nel momento in cui è stato emesso e la fisica si occupa del resto della loro evoluzione fino ad oggi. Credito immagine: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
Hanno inoltre teorizzato che la radiazione residua di questo periodo estremamente caldo avrebbe permeato l'Universo e sarebbe stata 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) - appena cinque gradi sopra lo zero assoluto - che corrisponde alle lunghezze d'onda delle microonde. Non è stato fino al 1964 che sono state rilevate le prime prove per la CMB.
Questo fu il risultato dell'uso del radiometro Dicke da parte degli astronomi americani Arno Penzias e Robert Wilson, che avevano intenzione di utilizzare per esperimenti di radioastronomia e comunicazione satellitare. Tuttavia, durante la loro prima misurazione, hanno notato un eccesso di temperatura dell'antenna di 4,2 K che non potevano spiegare e che poteva essere spiegato solo dalla presenza di radiazioni di fondo. Per la loro scoperta, Penzias e Wilson ricevettero il Premio Nobel per la Fisica nel 1978.
Inizialmente, il rilevamento del CMB era fonte di contesa tra i sostenitori di diverse teorie cosmologiche. Mentre i sostenitori della teoria del Big Bang affermavano che questa era la 'radiazione reliquia' rimasta dal Big Bang, i sostenitori della teoria dello stato stazionario sostenevano che fosse il risultato della luce stellare diffusa da galassie lontane. Tuttavia, negli anni '70, era emerso un consenso scientifico che favoriva l'interpretazione del Big Bang.
Dati all-sky ottenuti dalla missione Planck dell'ESA, che mostrano le diverse lunghezze d'onda. Credito: ESA
Durante gli anni '80, gli strumenti a terra hanno posto limiti sempre più severi alle differenze di temperatura del CMB. Questi includevano i Soviet RELIC-1 missione a bordo del satellite Prognoz 9 (lanciato nel luglio 1983) e della NASA Esploratore di sfondi cosmici (COBE) (i cui risultati sono stati 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 della CMB, oscillazioni acustiche nel plasma che corrispondono a variazioni di densità su larga scala nell'universo primordiale create da instabilità gravitazionali. Nel decennio successivo seguirono molti esperimenti, che consistevano in esperimenti a terra e su pallone il cui scopo era 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 al Sonda per anisotropia a microonde Wilkinson (WMAP) è stato dispiegato 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 variazioni di densità su piccola scala.
Questi includono telescopi terrestri come QUEST a DASI (QUAD) e il Telescopio del Polo Sud alla stazione del Polo Sud di Amudsen-Scott, e il Telescopio cosmologico Atacama e Esperimento di imaging Q/U (SILENZIOSO) telescopio in Cile. Nel frattempo, l'Agenzia spaziale europea Plancknavicella spaziale continua a misurare la CMB dallo spazio.
Futuro della CMB:
Secondo varie teorie cosmologiche, l'Universo potrebbe a un certo punto cessare di espandersi e iniziare a invertire, culminando in un collasso seguito da un altro Big Bang, ovvero. il grande scricchiolio teoria. In un altro scenario, noto come Grande strappo , l'espansione dell'Universo porterà alla fine alla distruzione di tutta la materia e dello spaziotempo stesso.
Se nessuno di questi scenari è corretto e l'Universo ha continuato ad espandersi a un ritmo accelerato, la CMB continuerà a spostarsi verso il rosso fino al punto in cui non è più rilevabile. A questo punto sarà superato dalla prima luce stellare creata nell'Universo, e poi dai campi di radiazione di fondo prodotti da processi che si presume avverranno nel futuro dell'Universo.
Abbiamo scritto molti articoli interessanti sullo sfondo del microonde cosmico qui su Universe Today. ecco Cos'è la radiazione cosmica di fondo a microonde? , Teoria del Big Bang: evoluzione del nostro universo , Che cos'era l'inflazione cosmica? La ricerca per comprendere l'universo primordiale , Scoperta del punto di riferimento: nuovi risultati forniscono prove dirette dell'inflazione cosmica , e A che velocità si sta espandendo l'universo? Hubble e Gaia collaborano per condurre le misurazioni più accurate fino ad oggi .
Per ulteriori informazioni, dai un'occhiata Pagina della missione WMAP della NASA e gli ESA Pagina della missione di Planck .
Astronomy Cast ha anche informazioni sull'argomento. Ascolta qui: Episodio 5 – Il Big Bang e lo sfondo del microonde cosmico
Fonti:
