Scoperta dello sfondo cosmico

A partire dal 1948, il cosmologo americano George Gamow e i suoi colleghi, Ralph Alpher e Robert Herman, hanno studiato l’idea che gli elementi chimici potrebbero essere stati sintetizzati da reazioni termonucleari avvenute in una palla di fuoco primordiale. Secondo i loro calcoli, l’alta temperatura associata all’universo primordiale avrebbe dato origine a un campo di radiazione termica, che ha una distribuzione unica di intensità con lunghezza d’onda (nota come legge di radiazione di Planck), che è una funzione solo della temperatura. Con l’espansione dell’universo, la temperatura sarebbe diminuita, e ogni fotone sarebbe stato spostato verso il rosso dall’espansione cosmologica a una lunghezza d’onda maggiore, come il fisico americano Richard C. Tolman aveva già dimostrato nel 1934. All’epoca attuale la temperatura della radiazione sarebbe scesa molto bassa valori, circa 5 kelvin sopra lo zero assoluto (0 kelvin, o −273 ° C) secondo le stime di Alpher e Herman.

L’interesse per questi calcoli è diminuito tra la maggior parte degli astronomi quando è diventato evidente che la parte del leone della sintesi di elementi più pesanti dell’elio deve essere avvenuta all’interno delle stelle piuttosto che in un caldo big bang. All’inizio degli anni ’60 i fisici dell’Università di Princeton, nel New Jersey, così come nell’Unione Sovietica, ripresero il problema e iniziarono a costruire un ricevitore a microonde in grado di rilevare, nelle parole del religioso e cosmologo belga Georges Lemaître, “il svanì la brillantezza dell’origine dei mondi. “

L’effettiva scoperta della radiazione relitta dalla palla di fuoco primordiale, tuttavia, è avvenuta per caso. Negli esperimenti condotti in connessione con il primo satellite di comunicazione Telstar, due scienziati, Arno Penzias e Robert Wilson, dei Bell Telephone Laboratories, Holmdel, New Jersey, hanno misurato il rumore radio in eccesso che sembrava provenire dal cielo in modo completamente isotropo (cioè il rumore radio era lo stesso in ogni direzione). consultò Bernard Burke del Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, riguardo al problema, Burke si rese conto che Penzias e Wilson avevano molto probabilmente trovato la radiazione cosmica di fondo che Robert H. Dicke, PJE Pe ebles, ei loro colleghi di Princeton stavano progettando di cercare. Messi in contatto l’uno con l’altro, i due gruppi pubblicarono simultaneamente nel 1965 articoli che dettagliavano la previsione e la scoperta di un campo di radiazione termica universale con una temperatura di circa 3 K.

Misurazioni precise effettuate dal satellite Cosmic Background Explorer (COBE) lanciato nel 1989 hanno determinato che lo spettro fosse esattamente caratteristico di un corpo nero a 2,735 K. La velocità del satellite attorno alla Terra, La Terra attorno al Sole, il Sole sulla Galassia e la Galassia attraverso l’universo in realtà fanno sembrare la temperatura leggermente più calda (di circa una parte su 1.000) nella direzione del movimento piuttosto che lontano da esso. L’entità di questo effetto, la cosiddetta anisotropia del dipolo, consente agli astronomi di determinare che il gruppo locale (il gruppo di galassie che contengono la Via Lattea) si sta muovendo a una velocità di circa 600 km al secondo (km / s; 400 miglia al secondo) in una direzione che è a 45 ° dalla direzione dell’ammasso di galassie della Vergine. Tale movimento non è misurato rispetto alle galassie stesse (le galassie della Vergine hanno una velocità media di recessione di circa 1.000 km / s rispetto al sistema della Via Lattea) ma rispetto a un sistema di riferimento locale in cui la radiazione cosmica di fondo a microonde sarebbe appaiono come un perfetto spettro di Planck con un’unica temperatura di radiazione.

Il satellite COBE trasportava a bordo strumentazione che gli consentiva di misurare piccole fluttuazioni di intensità della radiazione di fondo che sarebbe l’inizio della struttura (cioè, galassie e ammassi di galassie) nell’universo. Il satellite ha trasmesso un modello di intensità in proiezione angolare a una lunghezza d’onda di 0,57 cm dopo la sottrazione di uno sfondo uniforme a una temperatura di 2,735 K. Le regioni luminose in alto a destra e le regioni scure in basso a sinistra hanno mostrato l’asimmetria del dipolo. Una striscia luminosa al centro rappresentava l’emissione termica in eccesso dalla Via Lattea. Per ottenere le fluttuazioni su scale angolari minori, è stato necessario sottrarre sia il contributo dipolo che quello galattico. È stata ottenuta un’immagine che mostra il prodotto finale dopo la sottrazione. Le macchie di luce e buio rappresentano fluttuazioni di temperatura che ammontano a circa una parte su 100.000, non molto superiori alla precisione delle misurazioni.Tuttavia, le statistiche della distribuzione delle fluttuazioni angolari apparivano diverse dal rumore casuale, e così i membri del team investigativo COBE hanno trovato la prima prova per la deviazione dall’isotropia esatta che i cosmologi teorici a lungo predissero dovevano essere lì per galassie e ammassi di galassie da condensare da un universo altrimenti privo di struttura. Queste fluttuazioni corrispondono a scale di distanza dell’ordine di 109 anni luce (ancora più grandi delle più grandi strutture materiali viste nell’universo, come l’enorme raggruppamento di galassie soprannominato la “Grande Muraglia”).

La Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) è stata lanciata nel 2001 per osservare le fluttuazioni osservate da COBE in modo più dettagliato e con maggiore sensibilità. Le dizioni all’inizio dell’universo hanno lasciato la loro impronta sulla dimensione delle fluttuazioni. Le misurazioni accurate di WMAP hanno mostrato che l’universo primordiale era costituito dal 63% di materia oscura, 15% di fotoni, 12% di atomi e 10% di neutrini. Oggi l’universo contiene il 72,6% di energia oscura, il 22,8% di materia oscura e il 4,6% di atomi. Sebbene i neutrini siano ora una componente trascurabile dell’universo, formano il loro sfondo cosmico, che è stato scoperto da WMAP. WMAP ha anche dimostrato che le prime stelle dell’universo si sono formate mezzo miliardo di anni dopo il big bang.