Questa “eco luminosa” è la prova del Big Bang : cos’è la radiazione cosmica di fondo

Scoperta per puro caso nel 1964 da Arno Penzias e Robert Wilson, la radiazione cosmica di fondo (in inglese Cosmic Microwave Background radiation, CMB) è un bagno di radiazione elettromagnetica nella banda delle microonde che permea l'intero universo e proviene da ogni direzione. La sua esistenza è una prova del fatto che l'Universo abbia avuto un inizio con il Big Bang. È la fonte di radiazione elettromagnetica dominante al di fuori della nostra galassia, la Via Lattea. La sua energia è associata a una temperatura di –270,42 °C (2,73 °C sopra lo zero assoluto), che quindi è la temperatura media dell'Universo. Si formò circa 380.000 anni dopo il Big Bang, a seguito della formazione dei primi atomi di idrogeno, ed è pertanto una sorta di “fotografia” del cosmo primordiale. Per questo motivo la radiazione cosmica di fondo riveste un'importanza fondamentale in cosmologia: la sua analisi ci aiuta a comprendere la storia dell'Universo e di cosa è fatto.

Quando e come è stata scoperta

Sebbene l'esistenza della radiazione cosmica di fondo fosse stata teorizzata dai fisici teorici George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman negli anni '40, fu solo nel 1964 che essa venne rilevata sperimentalmente per la prima volta.

Gli autori della scoperta furono Arno Penzias e Robert Wilson, due ricercatori che all'epoca lavoravano per i laboratori Bell nel New Jersey, Stati Uniti. La scoperta fu frutto del caso poiché i due ricercatori stavano utilizzando una antenna radio da 6 metri per captare onde radio riflesse da palloni sonda. Nell'analizzare i dati, i due ricercatori trovavano consistentemente un fondo di radiazione molto intenso la cui origine era sconosciuta. Inizialmente, i due attribuirono questo rumore di fondo alla presenza di piccioni che avevano trovato rifugio all'interno dell'antenna. Ma dopo aver pulito quest'ultima, il segnale sembrò persistere.

I due ricercatori si resero così conto che quel fondo di radiazione nelle lunghezze d'onda delle microonde non era rumore, bensì un segnale vero e proprio che provenendo in maniera eguale da tutte le parti del cielo non poteva avere ne una origine galattica ne all'interno del nostro Sistema Solare, bensì una origine cosmologica. La prova sperimentale dell'esistenza della radiazione cosmica di fondo valse a Penzias e Wilson il conferimento del premio Nobel per la fisica nel 1978.

Come e quando si è formata la radiazione cosmica di fondo

La radiazione cosmica di fondo altro non è che radiazione elettromagnetica nelle lunghezze d'onda delle microonde rilevabile come un fondo di radiazione proveniente uniformemente da tutte le direzioni in cielo. Essa viene considerata l'eco del Big Bang, poiché rappresenta la fonte di radiazione più lontana che possiamo rilevare e poiché le sue proprietà sono direttamente collegate a quelle del Big Bang.

Quando l'Universo si formò circa 13,8 miliardi di anni fa, era costituito di un plasma caldissimo di protoni, elettroni, neutroni e particelle di luce (fotoni). Le altissime temperature provocavano violente collisioni tra queste particelle subatomiche, impedendo la formazione di strutture legate come gli atomi. Poiché la luce viene deviata dalle particelle cariche come elettroni e protoni, l'Universo era quindi opaco, come avvolto in una sorta di nebbia globale.

L'espansione dell'Universo però, oltre ad aumentarne il volume, ne causò anche un raffreddamento che si tradusse in meno energia disponibile alle particelle durante le collisioni e quindi possibilità di formare strutture legate. In particolare, circa 380.000 anni dopo il Big Bang l'Universo si espanse e si raffreddò abbastanza (circa 2700 °C) da permettere agli elettroni di combinarsi con i protoni per formare atomi di idrogeno. Questo momento nella vita dell'Universo è noto come ricombinazione. In assenza di elettroni liberi, le particelle di luce erano ora in grado di muoversi liberamente senza urtare altre particelle: la “nebbia” così si diradò e l'Universo divenne trasparente alla radiazione elettromagnetica. La radiazione cosmica di fondo è proprio quella radiazione finalmente libera di diffondersi nel cosmo “in linea retta”. La radiazione cosmica di fondo si formò quindi 380.000 anni dopo il Big Bang.

Appena formata, la radiazione cosmica di fondo era costituita da fotoni ad alta energia. Tuttavia, l'espansione del cosmo nei miliardi di anni successivi ha spostato verso il rosso la radiazione, diminuendone l'energia e rendendola rilevabile nelle microonde al giorno d'oggi. Sebbene meno energetica, la radiazione cosmica di fondo costituisce la fonte di radiazione dominante al di fuori della nostra galassia, con circa 400 fotoni ogni centimetro cubo di spazio.

La sua esistenza e le sue proprietà (come la sua temperatura e il fatto di provenire da ogni direzione del cosmo) sono spiegabili soltanto se ipotizza che l'Universo abbia avuto un inizio piccolo, caldo e denso e da allora si sia espanso: per questo motivo fu considerata da subito una delle prove del Big Bang che pose fine alle teorie rivali su un universo eterno e statico.

Che informazioni ci dà sull'Universo

Le prime osservazioni della radiazione cosmica di fondo mostravano un'emissione isotropa, cioè che ha le stesse proprietà indipendentemente dalla direzione di provenienza. Questo perché il processo di ricombinazione è avvenuto ovunque nell'Universo. Tuttavia, la teoria suggeriva che in realtà dovessero esserci delle anisotropie, cioè piccole fluttuazioni di energia (dell'ordine di una parte su 100.000) rappresentanti differenze in densità di materia. Senza queste fluttuazioni, la formazione di strutture come le galassie non sarebbe stata possibile poiché ogni punto dell'Universo avrebbe esercitato una forza gravitazionale uguale su ogni altro punto, mentre c'è bisogno di piccole disomogeneità affinché regioni più dense di materia possano esercitare una forza gravitazionale maggiore e quindi attrarre ancora più materia.

Le osservazioni più sensibili di satelliti come COBE, WMAP e Planck hanno permesso di trovare queste piccole fluttuazioni in un fondo uniforme di radiazione cosmica di fondo. Queste fluttuazioni rappresentano le differenze nella densità della materia, sia su piccola che su grande scala, che erano presenti subito dopo la formazione dell'Universo. Possono essere immaginati come i semi da cui strutture gravitazionalmente legate come le galassie si andranno a formare.

La radiazione cosmica di fondo ci ha permesso anche di carpire nuove informazioni sull'Universo primordiale. Dalle osservazioni della radiazione cosmica di fondo si nota come l'Universo, su larga scala, appaia omogeneo ed isotropo, cioè lo stesso dovunque e in qualunque direzione lo si guardi. Affinché ciò sia possibile, tutti i punti dell'Universo devono essere in grado di comunicare tra di loro, cioè di scambiarsi energia in modo da avere la stessa temperatura. Questo non è però possibile durante la ricombinazione, poiché ci sono punti molto lontani tra di loro che non hanno possibilità di comunicarsi le informazioni e scambiarsi energia.

Ecco quindi che la radiazione cosmica di fondo ha condotto i fisici teorici ad ipotizzare l'esistenza dell'inflazione: una piccola frazione di secondo dopo il Big Bang, le fluttuazioni quantistiche hanno causato un’espansione dell’universo a un ritmo estremo. I punti che appaiono distanti durante la ricombinazione erano in realtà vicini prima dell’inflazione, quindi hanno quasi la stessa temperatura.

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