16 Febbraio 2002
La storia della radiazione cosmica di fondo
(Raffaele Battaglia)

Il secolo scorso è stato testimone della nascita di una nuova visione dell'Universo, grazie allo sviluppo tecnico e teorico delle varie branche dell'astronomia.

Nei primi decenni del novecento si ebbe la definitiva certezza che l'Universo non finisse ai bordi della nostra Galassia: essa altro non era che una delle tante "isole" di stelle esistenti nello spazio cosmico. Grazie al lavoro che Edwin P. Hubble svolse a partire dal 1929, si scoprì che tutti gli oggetti extragalattici (vale a dire le galassie) presentavano un moto di allontanamento (o recessione) rispetto a noi, in qualunque direzione si osservasse: quanto maggiore era la distanza di una galassia dalla Via Lattea, tanto maggiore risultava la sua velocità di recessione, essendo quest'ultima direttamente proporzionale alla distanza della galassia, per mezzo di una costante Ho, chiamata successivamente costante di Hubble.

E. Hubble al telescopio Hooker
La scoperta del moto di recessione, avvenuta osservando lo spostamento verso il rosso delle righe spettrali delle galassie, poneva così una serie di nuovi interrogativi sulla geometria dell'Universo e sulla sua evoluzione. In definitiva, se gli oggetti extragalattici presentavano un moto di allontanamento reciproco, era logico supporre che l'Universo avesse avuto un'origine, sia nello spazio sia nel tempo.

A conferma di ciò, negli anni quaranta, George Gamow e i suoi collaboratori, Ralph A. Alpher e Robert R. Herman, svilupparono una teoria sulla sintesi dei nuclei atomici (nucleosintesi primordiale) volta a spiegare l'origine della materia presente nell'Universo. I loro calcoli prendevano l'avvio da meno di un secondo dopo la nascita dell'Universo, avvenuta attraverso un'immane esplosione o Big Bang, quando l'Universo era ancora un "brodo" estremamente caldo e denso di protoni, neutroni, elettroni e altre particelle elementari. Il Big Bang costituiva l'atto di nascita non solo di tutta la materia e la radiazione osservabili, ma dello stesso tessuto spazio-temporale! La velocità di recessione delle galassie, scoperta da Edwin Hubble qualche anno prima, era la diretta conseguenza del moto di espansione generato dal Big Bang.

Lo spostamento verso il rosso delle righe spettrali
Per giustificare le abbondanze osservate degli elementi e le dimensioni tipiche delle strutture su larga scala dell'Universo, come gli ammassi di galassie, doveva essere esistita un'epoca in cui la radiazione (i fotoni) e la materia erano state fortemente "interagenti", in uno stato, definito dai fisici, di accoppiamento termico.

Nei primi istanti dopo il Big Bang, la temperatura dell'Universo era stata talmente elevata da impedire la formazione di nuclei atomici stabili: i fotoni avevano un'energia media così alta da distruggere ogni possibile legame stabile fra le particelle. L'espansione dell'Universo, però, aveva portato via via a un graduale abbassamento della temperatura, fino al punto in cui l'energia dei fotoni non fu più tale da impedire la formazione di nuclei stabili, anche se era ancora sufficientemente elevata da ostacolare la formazione dei primi elementi, impedendo il legame fra gli elettroni e i protoni.

Il graduale raffreddamento dell'Universo, fino a una temperatura inferiore ai 4000 gradi sopra lo zero assoluto, aveva segnato la transizione da un'era "dominata dalla radiazione", in cui la maggior parte dell'energia era sotto forma di radiazione, a un'era "dominata dalla materia", in cui la maggior parte dell'energia era, ed è tuttora, intrappolata nella massa. A questo punto l'accoppiamento termico si era rotto e le "storie" della radiazione e della materia avevano preso due vie distinte: in altre parole, radiazione e materia si erano disaccoppiate.

L'Universo era diventato trasparente alla radiazione, cosicché i fotoni avevano iniziato a viaggiare indisturbati attraverso distanze sempre maggiori, mentre il processo di aggregazione della materia per collasso gravitazionale, non più ostacolato dall'effetto "viscoso" dovuto all'interazione con la radiazione, aveva portato pian piano alla formazione delle prime masse, e quindi delle prime stelle.

Come si poteva essere certi che tale "visione" non fosse dovuta a un'errata interpretazione di ciò che si stava osservando?

Nel 1948 Ralph Alpher e Robert Herman, sulla base della teoria da loro sviluppata, previdero l'esistenza di un fondo di radiazione, risalente all'epoca del disaccoppiamento tra materia e radiazione. Secondo i loro calcoli, tale radiazione, ormai rarefatta e raffreddata a causa dell'espansione dell'Universo, aveva una temperatura non superiore ai 5 gradi Kelvin, e doveva essere, in qualche modo, osservabile ...

Arriviamo al 1964, anno in cui, Arno Penzias e Robert Wilson, per conto del "Bell Telephone Laboratory", utilizzano un'antenna a corno del diametro di 6 metri, allo scopo di misurare l'intensità delle onde radio provenienti dalla Via Lattea.

Arno Penzias e Robert Wilson
Tale tipo di misura risultò molto difficoltoso, in quanto il segnale si presentava come una sorta di rumore, simile a quello che ascoltiamo da una radio in presenza di scariche temporalesche. Era dunque necessario conoscere a fondo ogni sorgente di rumore aggiuntivo, come le interferenze dovute all'elettronica, all'atmosfera e quelle provenienti dalla stessa antenna, per tenerne successivamente conto. Nonostante fossero state individuate tutte le possibili sorgenti di rumore note, le misure presentavano ancora un "eccesso di rumore" non giustificabile, indipendente dalla direzione verso la quale veniva puntata l'antenna o dai cicli diurni e stagionali. Qualsiasi ulteriore accorgimento, in seguito adottato, non fu sufficiente a eliminare tale "eccesso", che corrispondeva a una temperatura equivalente d'antenna compresa fra i 2,5 e i 4,5 gradi al di sopra dello zero assoluto.

Contemporaneamente un fisico sperimentale di Princeton, Robert H. Dickie, in virtù di quanto teorizzato da Gamow, stava organizzando in collaborazione con P.G. Rolle, D.T. Wilkinson e successivamente con P.J.E. Peebles, una campagna osservativa alla ricerca della radiazione "fossile" che doveva essere osservabile, se si considerava valida la teoria del Big Bang. I due gruppi di ricerca iniziarono a collaborare, comprendendo con sempre maggior chiarezza che "l'eccesso di rumore" osservato da Penzias e Wilson non solo era di origine extragalattica, ma era quasi certamente il residuo della "fase calda" dell'Universo, vale a dire la radiazione "fossile" cercata da Dickie. L'"eccesso di rumore" misurato da Penzias e Wilson, noto oggi con il nome di radiazione cosmica di fondo, costituisce una delle più importanti scoperte del secolo scorso, per la quale è stato conferito ai due ricercatori del "Bell Telephone Laboratory" il premio Nobel nel 1978.

Non soltanto questa scoperta confermava le idee di Gamow e dei suoi collaboratori: ciò che si stava osservando era la radiazione più antica e lontana che a tutt'oggi siamo stati capaci di rilevare.

Perché la radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Background Radiation) è, dunque, così importante per la cosmologia?

La scoperta della CMBR ha aperto una nuova serie di interrogativi circa la geometria e la formazione delle strutture su larga scala dell'Universo. Nel 1990, il satellite COBE (COsmic Background Explorer) della NASA ha confermato che la radiazione cosmica di fondo ha lo stesso profilo di intensità previsto dalle attuali teorie (incredibilmente in accordo con quello di un "corpo nero"). Ma, il risultato ancor più importante si è avuto con la scoperta di piccolissime disomogeneità nella temperatura di tale radiazione, responsabili della formazione primordiale degli ammassi e super-ammassi di galassie [vedi articolo "Con gli occhi sull'Universo - La luce antica"]. Mediante le osservazioni di COBE, inoltre, si è ricavato, con un alto grado di accuratezza, il valore della temperatura della radiazione, pari a 2,73 gradi sopra lo zero assoluto.

La radiazione cosmica di fondo
La possibilità di effettuare misure ancora più precise delle fluttuazioni presenti nella CMBR permetterà di valutare i parametri cosmologici, necessari a comprendere la reale natura dell'Universo nel quale viviamo. Per questo motivo oggi la radiazione cosmica di fondo è oggetto continuo di studi, effettuati con l'ausilio di potenti radiotelescopi, palloni d'alta quota e satelliti artificiali.

Uno dei progetti più ambiziosi, in via di sviluppo, vedrà il lancio di un satellite dell'ESA, battezzato, non a caso, con il nome di Planck, capace di migliorare di almeno dieci volte l'accuratezza delle misure del suo predecessore COBE e di fornire nuove risposte e sicuramente nuovi interrogativi sul passato del nostro Universo.

Lo studio della radiazione cosmica di fondo sarà, probabilmente, la chiave che ci permetterà di comprendere se il Big Bang possa, realisticamente, rappresentare il meccanismo che ha portato all'Universo attuale o se ci sarà la necessità di ricorrere a nuove e rivoluzionarie teorie.





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