martedì 26 gennaio 2016

La Radiazione Cosmica di Fondo

Ciao a tutti amanti della fisica!
 Con questo articolo cominciamo finalmente a parlare di cosmologia, ovvero dello studio dell'Universo su larga scala. Si tratta di una branca della fisica relativamente giovane, che spazia tra la Relatività Generale e la Fisica Quantistica. Partiamo con la scoperta di uno dei fenomeni più strani e inattesi tra quelli che ci circondano: la Radiazione Cosmica di Fondo. Chiediamoci per un istante come apparirebbe il nostro Universo se lo privassimo di tutte le stelle, tutte le galassie, e in generale di ogni corpo luminoso. La risposta è che continueremmo a rilevare una debole radiazione elettromagnetica proveniente da tutte le direzioni. Di che cosa di tratta? E in che modo questa può permetterci di conoscere meglio l'Universo?


 Prima di cominciare con l'articolo vero e proprio vorrei fare un paio di precisazioni: la cosmologia è un ambito estremamente dibattuto, e non è affatto semplice costruire dei modelli che rendano conto del comportamento dell'intero cosmo. Cercherò sempre di riportare le teorie cosmologiche più condivise, ma ne esistono molte altre di cui magari parleremo in futuro.

 In secondo luogo, spiegare l'origine della Radiazione Cosmica di Fondo non è semplice e richiede di addentrarsi molto più profondamente nell'ambito cosmologico. Per questo motivo non parlerò in questo post di come si giustifica oggi la Radiazione di Fondo, limitandomi a discuterne gli effetti (che sono pur sempre stupefacenti!).


La scoperta della Radiazione Cosmica di Fondo

Wilson (a sinistra) e Penzias (a destra), davanti all'antenna
 Era il 1964, e i fisici ed astronomi Robert Wilson e Arno Penzias stavano lavorando ai Laboratori Bell del New Jersey. I due stavano testando un'antenna in grado di rilevare le onde radio trasmesse da alcuni satelliti artificiali.

 In sostanza, prima di poter condurre un esperimento con un dispositivo così sensibile era bene rimuovere tutte le fonti di disturbo. Wilson e Penzias tararono quindi l'antenna affinché escludesse tutto il "rumore di fondo": emittenti radiofoniche, radar,... Ridussero sensibilmente persino il rumore causato dall'agitazione termica portando il rivelatore vicino allo Zero Assoluto.

 Ma nonostante tutte le precauzioni prese, l'antenna continuava a rivelare un disturbo cento volte più intenso di quello che i due si aspettavano! Peggio ancora: questo "fondo" misterioso era presente giorno e notte, uguale in tutte le direzioni, e non sembrava essere di origine terrestre.

 Presi dallo sconforto, Wilson e Penzias arrivarono a pensare che il disturbo potesse essere causato dagli escrementi dei piccioni che di tanto in tanto sostavano sull'antenna. Ma neanche la pulizia del dispositivo riuscì a ridurre quello strano segnale. I due conclusero quindi che doveva trattarsi di una radiazione a microonde proveniente dall'esterno della Galassia, ma non avevano idea di che cosa la producesse.

 Mentre Wilson e Penzias erano alle prese con quel dannato rumore di fondo, altri tre fisici - Robert Dicke, Jim Peebles e David Wilkinson - stavano progettando un esperimento per testare una teoria proposta sedici anni prima dai cosmologi George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman.
George Gamow

"Nell'Universo deve essere presente una radiazione costante, detta Radiazione Cosmica di Fondo, il cui spettro ricalca perfettamente quello di un corpo nero alla temperatura di 50 Kelvin."








 La stima della temperatura del corpo nero fu continuamente rivista fino ad assestarsi sul valore di 2,7 Kelvin, ma la sostanza non cambia. Gamow riteneva che tale radiazione fosse una conseguenza del Big Bang, l'ipotetica "esplosione" che avrebbe dato vita all'Universo - ma, come ho scritto poco fa, non ne parleremo per ora.

 Ad ogni modo, la notizia che tre fisici stavano cercando la Radiazione Cosmica di Fondo giunse presto a Penzias, che si fece spedire da Dicke in persona un'anteprima dell'articolo che stava scrivendo assieme ai suoi due colleghi. Penzias concluse presto con Wilson che il fondo di microonde che avevano rilevato era proprio la Radiazione di Fondo di cui parlavano Gamow e gli altri!


Intensità della radiazione emessa da un corpo nero in funzione della lunghezza d'onda
 Per esserne assolutamente sicuri, Wilson e Penzias utilizzarono la loro antenna per effettuare una misura dello spettro della radiazione misteriosa, e notarono che effettivamente riproduceva perfettamente lo spettro di un corpo nero. Penzias richiamò Dicke immediatamente, invitandolo ad esaminare in prima persona le analisi effettuate con l'antenna.

 Dicke confermò le speranze di Wilson e Dicke: i due avevano effettivamente rivelato la Radiazione Cosmica di Fondo! I tre decisero quindi di pubblicare insieme l'articolo, e quattordici anni più tardi Wilson e Penzias vinsero il Premio Nobel.


Le caratteristiche della Radiazione Cosmica di Fondo

 Si potrebbe parlare a lungo di questa radiazione, ma scopriamone almeno le caratteristiche principali.

 Come già scritto, si tratta di una radiazione elettromagnetica che non ha origine nella nostra Galassia e proveniente da tutte le direzioni. Inoltre, la Radiazione Cosmica di Fondo è estremamente isotropa, ovvero ha praticamente la stessa intensità e le stesse caratteristiche indipendentemente dalla direzione in cui la si osserva. 

La Radiazione di Fondo
 Le prime imperfezioni sono dell'ordine di una parte su mille. Osservando meglio si osserva anche un fenomeno interessante: la Radiazione di Fondo risulta circa un millesimo di volte più intensa se osservata in una direzione e un millesimo di volte meno intensa se osservata nella direzione opposta. Ciò ha alcune conseguenze interessanti, ma per apprezzarle appieno è meglio dare spolverata all'Effetto Doppler e alla Velocità della Terra.

 Nell'articolo sulla velocità della Terra parlavamo del fatto che il nostro pianeta si muove con velocità diverse a seconda del sistema di riferimento. E se sfruttassimo la Radiazione Cosmica di Fondo per misurare la nostra velocità rispetto a un sistema di riferimento più generale? Più semplicemente, l'idea è questa:
Spieghiamo il fatto che la Radiazione appaia più energetica in una direzione e meno energetica nella direzione opposta con l'Effetto Doppler. Questo significa che la Radiazione di Fondo ci appare più energetica da un lato perché ci stiamo muovendo proprio in quella direzione. Inoltre, in base a quanto varia la sua energia, possiamo risalire alla nostra velocità in questo sistema di riferimento.

Pensiamo che l'Universo sia molto simile per tutti gli osservatori
 Più precisamente, possiamo definire un altro riferimento: un "osservatore" che si trova proprio nel centro di massa dell'Universo, e che quindi non osserva "impurità" nella Radiazione Cosmica di Fondo. Ci aspettiamo però che, a parte questa caratteristica, questa persona non osservi un Universo molto diverso da quello che osserviamo noi. In effetti non c'è motivo di credere che l'Universo appaia diversamente a seconda della zona da cui lo si osserva. Insomma: stiamo supponendo (ragionevolmente) che il Cosmo sia omogeneo.

 In definitiva, abbiamo definito un nuovo "osservatore", che impersoneremo sempre per descrivere l'Universo. A questi diamo il nome di Osservatore Comovente.

 Detto ciò, ci aspetteremmo che l'Osservatore Comovente veda la Radiazione Cosmica di Fondo perfettamente identica in tutte le direzioni. Non è così. Anche lui osserva delle imperfezioni, ma molto più piccole di quelle che vediamo noi. Per la precisione, un Osservatore Comovente può notare delle imperfezioni di una parte su un milione!

 Tutto ciò ci consente di enunciare il principio su cui si basa tutta la cosmologia, ed è quindi chiamato Principio Cosmologico:
Un Osservatore Comovente vede l'Universo attorno a sè omogeneo e isotropo entro una parte su un milione.
 Che riassume tutte le assunzioni che abbiamo fatto negli ultimi paragrafi.

Prima di concludere facciamo un'ultima considerazione. Ricordate che uno degli effetti della Relatività Ristretta è la Dilatazione dei Tempi? Brevemente, il tempo di un corpo che si sta muovendo scorre più lentamente di uno che rimane fermo *(Se i due corpi sono visti dallo stesso osservatore) . Il Principio Cosmologico ci pone proprio in questa situazione: noi siamo in moto rispetto a un Osservatore Comovente, quindi per noi il suo tempo risulterà dilatato. Tuttavia abbiamo detto che descriveremo l'Universo con gli occhi di un Osservatore Comovente, non coi nostri! Per questo motivo è più corretto affermare che è il nostro tempo ad essere dilatato da un punto di vista comovente. Il tempo a cui faremo riferimento sarà quindi quello dell'Osservatore Comovente, che viene chiamato Tempo Cosmico.

Conclusioni

 L'articolo dedicato alla Radiazione Cosmica di Fondo si è concluso con la base di partenza per parlare di Cosmologia: il Principio Cosmologico. Ci sono già moltissime informazioni stipate in questo post, ma forse possiamo concludere con un'ultima considerazione interessante. Ricordate quando abbiamo detto che le anisotropie che osserviamo nella Radiazione Cosmica di Fondo ci permettono di stimare la nostra velocità in un sistema di riferimento più generale di quelli che abbiamo visto in precedenza? Non abbiamo detto quanto vale questa velocità! Ebbene, facendo le misure con cura si trova che ci stiamo muovendo alla folle velocità di 600 kilometri al secondo!
Grazie per aver letto fin qui,

 Giulio


Immagini tratte da:
https://mida999.wordpress.com/2010/07/11/il-planck-surveyor-e-la-radiazione-cosmica-di-fondo/
www.nps.gov 
www.bioss.ac.uk 
www.grupposelene.net
http://www.keplero.org/2007/07/il-tempo-e-la-radiazione-di-fondo.html
http://www.link2universe.net/2012-03-21/eso-nuova-vista-delle-profondita-del-cosmo-e-una-miniera-di-nuovi-dati-infrarossi-astronomici/

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