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Cos'è lo sfondo cosmico a microonde?

Astronomia : Cos'è lo sfondo cosmico a microonde?

Per migliaia di anni, l'essere umano ha contemplato l'Universo e ha cercato di determinarne la vera portata. E mentre gli antichi filosofi credevano che il mondo consistesse in un disco, uno ziggurat o un cubo circondato da oceani celesti o una sorta di etere, lo sviluppo della moderna astronomia aprì gli occhi a nuove frontiere. Nel 20 ° secolo, gli scienziati hanno iniziato a capire quanto sia vasto (e forse anche senza fine) l'Universo.

E nel corso dello sguardo più lontano nello spazio, e più indietro nel tempo, i cosmologi hanno scoperto cose davvero sorprendenti. Ad esempio, durante gli anni '60, gli astronomi sono venuti a conoscenza delle radiazioni di fondo a microonde rilevabili 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 una radiazione elettromagnetica lasciata dalla prima epoca cosmologica che permea l'intero universo. Si ritiene che si sia formato circa 380.000 anni dopo il Big Bang e contiene sottili indicazioni su come si formarono le prime stelle e galassie. Mentre questa radiazione è invisibile usando i telescopi ottici, i radiotelescopi sono in grado di rilevare il segnale debole (o bagliore) che è più forte nella regione a 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 era dell'Universo. Tuttavia, non è un'indicazione della vera estensione dell'Universo. Dato che lo spazio è stato in uno stato di espansione sin dal primo Universo (e si sta espandendo più velocemente della velocità della luce), il CMB è semplicemente il più indietro nel tempo che siamo in grado di vedere.

Relazione con il Big Bang:

Il CMB è centrale nella teoria del Big Bang e nei moderni modelli cosmologici (come il modello Lambda-CDM). Secondo la teoria, quando l'Universo nacque 13, 8 miliardi di anni fa, tutta la materia era condensata in un unico 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 iniziò ad espandersi e l'Universo come lo conosciamo iniziò.

A quel tempo, lo spazio era pieno di un bagliore uniforme di particelle di plasma incandescente - che consisteva in protoni, neutroni, elettroni e fotoni (luce). Tra 380.000 e 150 milioni di anni dopo il Big Bang, i fotoni interagivano costantemente con elettroni liberi e non potevano percorrere lunghe distanze. Ecco perché questa epoca è colloquialmente definita "Età scura".

Mentre l'Universo continuava ad espandersi, si raffreddò al punto in cui gli elettroni erano in grado di combinarsi con i protoni per formare atomi di idrogeno (alias il Periodo di Ricombinazione). In assenza di elettroni liberi, i fotoni sono stati in grado di muoversi senza ostacoli attraverso l'Universo e ha iniziato ad apparire come oggi (cioè trasparente e permeato dalla luce). Nel corso dei miliardi di anni successivi, l'Universo ha continuato ad espandersi e si è notevolmente raffreddato.

A causa dell'espansione dello spazio, le lunghezze d'onda dei fotoni sono cresciute (sono diventate `` spostate in rosso '') di circa 1 millimetro e la loro temperatura effettiva è diminuita a poco sopra lo zero assoluto 2, 7 Kelvin (-270 C; - 454 F). Questi fotoni riempiono l'Universo oggi e appaiono come un bagliore di sfondo che può essere rilevato nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso lontano e della radio.

Storia dello studio:

L'esistenza del CMB fu 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 degli elementi luminosi (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 cronologia 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 rimanente di questo periodo estremamente caldo avrebbe permeato l'Universo e sarebbe 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) solo cinque gradi sopra lo zero assoluto che corrisponde a lunghezze d'onda a microonde. Fu solo nel 1964 che furono rilevate le prime prove per il CMB.

Questo era il risultato degli astronomi americani Arno Penzias e Robert Wilson che utilizzavano il radiometro Dicke, che intendevano 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 potevano essere spiegati solo dalla presenza di radiazioni di fondo. Per la loro scoperta, Penzias e Wilson hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1978.

Inizialmente, il rilevamento del CMB era una fonte di contesa tra i sostenitori di diverse teorie cosmologiche. Mentre i sostenitori della teoria del Big Bang affermavano che questa era la "radiazione relativa" lasciata dal Big Bang, i sostenitori della teoria dello stato stazionario sostenevano che era 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 ponevano limiti sempre più stringenti alle differenze di temperatura del CMB. Questi includevano la missione RELIKT-1 sovietica a bordo del satellite Prognoz 9 (lanciato nel luglio del 1983) e la missione NASA Cosmic Background Explorer (COBE) (i cui risultati furono 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 del 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 basati su palloncini il cui scopo era fornire misure più accurate del primo picco acustico.

Il secondo picco acustico è stato provvisoriamente rilevato da numerosi esperimenti, ma non è stato definitivamente rilevato fino a quando la sonda di anisotropia a microonde di Wilkinson (WMAP) è stata dispiegata nel 2001. Tra il 2001 e il 2010, quando la missione è stata conclusa, WMAP ha rilevato anche un terzo picco. Dal 2010, molteplici missioni monitorano il CMB per fornire misurazioni migliorate della polarizzazione e variazioni di densità su piccola scala.

Questi includono telescopi terrestri come QUEST al DASI (QUaD) e il South Pole Telescope alla stazione del polo sud di Amudsen-Scott, e il telescopio cosmologico Atacama e il telescopio Q / U Imaging ExperimenT (QUIET) in Cile. Nel frattempo, la navicella spaziale Planck dell'Agenzia spaziale europea continua a misurare la CMB dallo spazio.

Il futuro del CMB:

Secondo varie teorie cosmologiche, l'Universo potrebbe ad un certo punto cessare di espandersi e iniziare a invertire, culminando in un crollo seguito da un altro Big Bang - aka. la teoria del Big Crunch. In un altro scenario, noto come Big Rip, l'espansione dell'Universo alla fine porterà alla demolizione di tutta la materia e lo stesso spaziotempo.

Se nessuno di questi scenari è corretto e l'Universo ha continuato ad espandersi a una velocità crescente, il 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, quindi dai campi di radiazione di fondo prodotti da processi che si presume avranno luogo nel futuro dell'Universo.

Abbiamo scritto molti articoli interessanti sullo sfondo delle microonde cosmiche qui su Universe Today. Ecco cos'è la radiazione cosmica di fondo a microonde? Teoria del Big Bang: evoluzione del nostro universo, cos'è stata l'inflazione cosmica? La ricerca per comprendere l'universo più antico, la scoperta del punto di riferimento: i nuovi risultati forniscono prove dirette dell'inflazione cosmica e con che velocità si sta espandendo l'universo? Hubble e Gaia si alleano per condurre le misurazioni più accurate fino ad oggi.

Per ulteriori informazioni, controlla la pagina di missione WMAP della NASA e la pagina di missione Planck dell'ESA.

Il cast di astronomia ha anche informazioni sull'argomento. Ascolta qui: Episodio 5 - Il Big Bang e il Cosmic Microwave Background

fonti:

  • ESA - Planck e lo sfondo cosmico a microonde
  • La fisica dell'universo - Radiazione di fondo cosmica
  • Cosmo - Sfondo Cosmic Microonde
  • Wikipedia - Sfondo cosmico a microonde
Categoria:
Test della teoria dell'onda di densità a spirale
Recensione: The Most Unknown