La curiosità del mese

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Scoperte le onde gravitazionali promordiali

La curiosità del mese di maggio 2014 a cura di Gabriele Ghisellini

Fig. 1 - Visione artistica dell’evoluzione del nostro Universo. Subito dopo il Big Bang (un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo dopo ...) un punto piccolissimo dell’Universo appena nato ha cominciato ad espandersi violentemente, esponenzialmente, raddoppiando le proprie dimensioni ogni frazione di secondo. Lo spazio si è espanso ad una velocità molto, ma molto maggiore di quella della luce (ma questo non viola la relatività, che prescrive che la velocità della luce è il massimo possible per le cose che si muovono nello spazio, ma non per lo spazio stesso). Questa super-espansione viene chiamata inflazione. Tutto quello che ci circonda e che riusciamo a vedere oggi appartiene a quel piccolo granello di Universo che ha subito la super-espansione.

C’è un radiotelescopio, al polo Sud.
È usato per l’esperimento BICEP2 (acronimo di Background Imaging of Cosmic Polarization, biceps ma con la "s" in inglese significa bicipite), attivo dal 2010.

Fig. 2 - Il radiotelescopio di BICEP2, posto esattamente al polo Sud.

È posto al polo Sud perchè lì si hanno le condizioni osservative migliori, se si vuole scrutare il cielo ad alte frequenze radio (150 Giga Hertz).
Il gruppo di BICEP2 però non guarda una sorgente specifica, ma il fondo di radiazione cosmica che è rimasto dall’epoca del Big Bang.
È una radiazione che riempie tutto l’Universo, anche qui, sulla Terra, o su un’altra Galassia, o nel vuoto tra le galassie, dappertutto.
In un cubetto di un cm di lato ci sono, in media, 400 di questi fotoni, fatti durante il Big Bang.
Da allora vagano nell’Universo, e qualcuno di loro entra nelle antenne dei nostri radiotelescopi e viene rivelato.
Questa radiazione è pressochè uguale in tutte le direzioni.
Ci sono però delle differenze, piccole, ma importanti, di una parte su centomila ...
È come se abitassimo su un altopiano, a 1000 metri sul livello del mare, e i più grandi rilievi che possiamo incontrare fossero alti un centimetro.

Fig. 3 - I due modi della polarizzazione del fondo cosmico. Si distinguono per come e' disposta la direzione della polarizzazione. Per il tipo E la direzione e' radiale, mentre nel tipo B la direzione e' a girandola. La scoperta di BICEP2 riguarda la polarizzazione di modo B, prevista dall'esistenza di onde gravitazionali primordiali.

Fig. 3 - I due modi della polarizzazione del fondo cosmico. Si distinguono per come è disposta la direzione della polarizzazione. Per il tipo E la direzione è radiale, mentre nel tipo B la direzione è a "girandola". La scoperta di BICEP2 riguarda la polarizzazione di modo B, prevista dall’esistenza di onde gravitazionali primordiali.

Ma scovare queste differenze, proibitive per la strumentazione anche solo di 30 anni fa, è diventato un gioco da ragazzi.

Fig. 4 - La mappa di polarizzazione ottenuta da BICEP2. Le zone rosse e blu corrispondono a zone leggermente piu' calde e piu' fredde della media. I segmenti neri indicano la direzione della polarizzazione: si vede che e' del tipo B, quella a girandola.

Fig. 4 - La mappa di polarizzazione ottenuta da BICEP2. Le zone rosse e blu corrispondono a zone leggermente più calde e più fredde della media. I segmenti neri indicano la direzione della polarizzazione: si vede che è del tipo B, quella "a girandola".

Adesso la posta in gioco è più alta.
Si vogliono trovare delle differenze di una parte su cento milioni.
Per rimanere all’esempio di prima, è come se l’altipiano fosse completamente piatto, con una rugosità residua di un centesimo di millimetro.
BICEP2 ce la fa.
Questa precisione estrema è necessaria per scoprire se la radiazione di fondo è polarizzata, anche se di poco.
Come la luce riflessa da uno stagno: se guardiamo lo stagno in controluce, il riflesso ci impedisce di vedere il fondo, ma se lo guardiamo con un paio di occhiali da sole Polaroid, il fondo appare ...
Gli occhiali Polaroid infatti fermano la luce riflessa, che è polarizzata, e lasciano passare la luce che proviene da sotto la superficie dello stagno.
BICEP2 ha una versione sofisticatissima di occhiali Polaroid che fanno il contrario: buttano via la luce diretta e misurano la "luce riflessa" (polarizzata).
I rivelatori di BICEP2 sanno anche dire la direzione della polarizzazione (nel nostro esempio di prima questo equivale a quando bisogna ruotare gli occhiali Polaroid per escludere la luce riflessa).

Fig. 5 - Andrei Linde, che ha predetto l'esistenza delle onde gravitazionali primordiali, e Alan Guth, che ha ipotizzato una epoca di super-espansione (inflazione cosmica). La scoperta di BICEP2 conferma entrambe le teorie.

Fig. 5 - Andrei Linde (a sinistra), che ha predetto l’esistenza delle onde gravitazionali primordiali, e Alan Guth (a destra), che ha ipotizzato una epoca di super-espansione (inflazione cosmica). La scoperta di BICEP2 conferma entrambe le teorie.

Ne misurano di due tipi, il tipo E e il tipo B, come si vede nella Figura 3.
In questo modo BICEP2 ha costruito una mappa del cielo visibile dal polo Sud, misurando sia le piccole differenze del fondo cosmico, sia la direzione di polarizzazione. Ha poi tolto tutti i contributi già noti, ed il risultato è quello che si vede in Figura 4: i trattini neri (che indicano la direzione della polarizzazione) sono del tipo a girandola.
È questa la grande scoperta: polarizzazione del tipo B (a girandola) era stata predetta parecchi anni fa, da Andrei Linde, come il risultato dell’emissione di onde gravitazionali da parte dell’Universo appena nato e in fase di super-espansione (vedi la didascalia di Figura 1).
La Figura 4 fa vedere non solo come l’Universo era dopo 380.000 anni dopo la sua nascita, ma attraverso quelle increspature "a girandola", ci dice che qualcosa è avvenuto ... un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo dopo il Big Bang (non si è incantata la tastiera, è sul serio un miliardesimo ripetuto 4 volte ..., per i più esperti: 10^-36 secondi dal Big Bang).