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La curiosità del mese

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Planck e l’Universo neonato:

il 25 Aprile dell’anno 13,5 miliardi a.C.

La curiosità del mese di maggio 2013 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - Schermata di puro rumore alla TV
Fig. 1 - Schermata di puro rumore alla TV.

Prima della televisione digitale terrestre, potevamo accendere il nostro televisore non su uno dei nostri canali preferiti, ma su nessun canale.
Vi ricordate quelle schermate che sembravano puro rumore (Fig. 1)? Bene, circa l’un per cento di quel rumore proveniva in realtà dalla profondità remota dell’Universo, era la radiazione di fondo che si materializzava sul nostro televisore di casa.
Prodotta circa 380.000 anni dopo l’ora zero, il Big Bang.

Fig. 2 - Max Planck (1858-1947), iniziatore della meccanica quantistica, uno dei piu’ grandi fisici del 1900, premio Nobel nel 1918.
Fig. 2 - Max Planck (1858-1947), iniziatore della meccanica quantistica, uno dei più grandi fisici del 1900, premio Nobel nel 1918. Leggi su Wikipedia.

Radiazione in viaggio da 13 miliardi e mezzo di anni, un resto fossile di un’epoca estremamente densa e calda, creata molto tempo prima che esistessero le stelle e le galassie.
Prodotta sin dai primi istanti di vita dell’Universo, è stata intrappolata per più di 300.000 anni dagli elettroni, condannata fino ad allora ad essere prigioniera di un flipper cosmico, a zig-zagare per l’Universo giovane..
Poi, all’improvviso, gli elettroni si sono uniti ai loro compagni naturali, i protoni, per dare origine agli atomi di idrogeno e di elio.
Così legati ai nuclei, gli elettroni hanno lasciato libera la radiazione, che fino ad allora non ha incontrato nessun ostacolo, nessuna antenna, fino alla nostra antenna televisiva.
In ogni momento, in ogni luogo dell’Universo, trovate circa 400 di questi fotoni primordiali in ogni centimetro cubo.
Se moltiplicate per il numero di centimetri cubi dell’Universo, viene un numero colossale. Ci sono circa un miliardo di questi fotoni per ogni protone (o elettrone) esistente. E tutti vagano senza sosta dall’inizio del tempo.
Sono testimoni delle piccolissime differenze di concentrazione di materia dell’Universo primordiale, che noi possiamo ancora oggi scoprire a patto di saper guardare con occhi accurati.
Possiamo addirittura fare la fotografia di come erano distribuiti questi fotoni al momento della loro liberazione, il 25 aprile di 13.5 miliardi di anni fa.
E scoprire che l’Universo non era esattamente uguale dappertutto.
Certo, le differenze erano piccole. Circa una parte su centomila.

Fig. 3 - La mappa della anisotropie della radiazione cosmica di fondo ottenuta dai dati del satellite Planck dell’ESA (Agenzia Spaziale Europea)
Fig. 3 - La mappa della anisotropie della radiazione cosmica di fondo ottenuta dai dati del satellite Planck dell’ESA (Agenzia Spaziale Europea).

Ma se siamo capaci di vedere queste differenze, possiamo fare una mappa delle piccolissime increspature, piccolissime differenze di temperatura e densità che col tempo hanno dato origine alle galasssie e agli ammassi di galassie.

Fig. 4 - Schema di come e’ cambiata la composizione dell’Universo prima e dopo i dati di Planck. Ovviamente non e’ l’Universo che e’ cambiato, e’ la nostra conoscenza che e’ migliorata… Meno energia e piu’ materia oscura, e un pizzico di materia ordinaria in piu’, ma tutto cio’ che forma stelle, pianeti e galassie non raggiunge il 5 per cento
Fig. 4 - Schema di come è "cambiata" la composizione dell’Universo prima e dopo i dati di Planck (Fig. 4 e Tab. 1). Ovviamente non è l’Universo che è cambiato, ma è la nostra conoscenza che è migliorata ... Meno energia e più materia oscura, e un pizzico di materia ordinaria in più, ma tutto ciò che forma stelle, pianeti e galassie non raggiunge il 5 per cento ...

Possiamo fare la foto dell’Universo bambino, o addirittura una ecografia dell’Universo embrione, prima della nascita di tutte le stelle e di tutte i corpi celesti come li conosciamo adesso.
E l’abbiamo fatta, questa ecografia. Anzi l’abbiamo fatta varie volte, con strumenti sempre più precisi.
L’ultima, in ordine di tempo, è stata fatta da un satellite chiamato Planck, in onore del fisico che nel 1900, con la sua spiegazione della radiazione prodotta da un corpo caldo, qualsiasi corpo caldo, ha rivoluzionato la fisica (Fig. 2 e Tab. 2 ).
E cosa abbiamo visto?
Abbiamo visto con un dettaglio senza precedenti le parti leggermente più calde e leggermente più fredde.
Abbiamo visto quanto sono grandi, e come sono distribuite. Le parti blu sono più fredde, quelle rosse sono più calde (Fig. 3).
Attenzione, la differenza in temperatura è solamente di una decina di milionesimi di grado. Una inezia. Però importantissima.
Se non ci fossero queste differenze noi non esisteremmo.
Infatti queste differenze minuscule di temperature stanno ad indicare piccole concentrazioni (o rarefazioni) di materia.
Con il tempo, i "grumi" sono diventati più densi, e hanno generato l’Universo come lo conosciamo adesso, dove in mezzo a colossali spazi vuoti troviamo concentrazioni di galassie.
La precisione delle misure permette di calcolare anche quanti anni ha l’Universo. Quanto tempo è passato dal Big Bang. 13,82 miliardi di anni (e non sentirli!).
Circa cento milioni di anni in più di quanto si credeva.
E sappiamo anche, con piu precisione, di cosa l’Universo è fatto. Per la gran parte, il 95 per cento, è fatto di energia e materia "oscura", oscura sia perchè non la possiamo vedere (non emette luce), sia perchè non sappiamo cosa sia. Solo il 5 per cento è fatto dalla materia che conosciamo, e di cui siamo fatti noi, il Sole, la Terra, le altre stelle, le galassie. Un misero 5 per cento.

Il nostro Universo dopo la missione Planck
ETÀ 13,82 miliardi di anni
Energia oscura 68.3%
Massa Oscura 26.8%
Massa luminosa 4.9%

Per saperne di più


Sito ESA missione Planck (in inglese)
La pagina di ASI dedicata alla missione Planck
La pagina della NASA dedicata alla missione Planck (in inglese)

Rappresentazione artistica del satellite Planck
Rappresentazione artistica del satellite Planck.
Scheda del satellite Planck
Luogo di nascita Europa
Lancio 14 Maggio 2009
Peso 1.95 tonnellate
Dimensioni 4.2 x 4.22 metri
Tempo di vita minimo 15 mesi, dipendente dal degrado del sistema di refrigerazione
Orbita punto Lagrangiano L2, a 1.5 milioni di km dalla Terra
Obiettivi 1) contenuto dell’Universo;
2) conferma dell’inflazione;
3) scoprire quando l’Universo è stato ri-ionizzato;
4) cercare le onde gravitazionali primordiali

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