La radiazione cosmica di fondo

Introduzione

“Chi ha raggiunto lo stadio di non meravigliarsi più di nulla dimostra semplicemente di aver

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perduto l’arte del ragionare e del riflettere”

Sin dal primo impatto col mondo della Fisica, essa mi ha catturato. Il primo incontro avvenne du-

rante il terzo anno di liceo quando, in visita all’Università degli Studi di Milano per partecipare ad

un laboratorio di Biologia, entrammo en passant nel Di-

partimento. L’esperienza fu abbastanza particolare, poi-

ché davanti a me si parò quella che sembrava una grossa

scatola metallica, posta in fondo all’atrio. In un primo

momento, fui tentato di capire il significato della suddetta

scatola, ma anche leggendo la targhetta ad essa appesa, la

quale recava scritto “camera di Wilson”, non vi riuscivo.

Così, sebbene possa apparire alquanto strano, il Diparti-

mento ha iniziato ad esercitare su di me un grande fascino

ed un grande ascendente, ponendomi questioni che, al

tempo, ritenevo piuttosto essenziali per la mia esistenza:

che cos’era quella enorme scatola? E poi, che cosa si pa-

rava dietro la facciata di quel mondo? Figura 0: la camera di Wilson (ca-

mera a bolle) conservata nell’atrio

L’anno seguente, in quarta scientifico, scoprii che la del Dipartimento di fisica

grande scatola serviva al rilevamento di particelle atomi-

che di alta energia, le quali lasciavano nel gas soprassaturo contenuto in essa delle tracce in guisa di

piccole gocce, piegate a piacere dai campi magnetici. Ebbi inoltre la fortuna di partecipare a dei se-

minari di Fisica moderna, la quale esercitava su di me un fascino alquanto marcato; ma l’evento più

“drammatico” fu la partecipazione ad un laboratorio di tre giorni, nel quale prendemmo in conside-

razione la radiazione cosmica di fondo. Dopo un pomeriggio introduttivo, in cui ci vennero spiegati

molti fatti teorici, ci preparavamo per due pomeriggi di sperimentazione, grazie alla quale ingenua-

mente ritenevo avremmo misurato proprio quella radiazione. Fummo invece introdotti in una picco-

la sala nella quale rimanemmo per tutto il pomeriggio a testare le caratteristiche angolari di

un’antenna.

Un’attività poco poetica. Ed in effetti, la Fisica pare a molti una disciplina poco poetica: a volte,

come in quella circostanza, lo è parso anche a me. Ma ritengo con forza che essa, nonostante tutto,

assuma un valore al di là dello squallore del mero aspetto numerico.

La mia ricerca prende le mosse proprio da quel pomeriggio in cui testai l’antenna. Essa, benché in

se stessa sia poco poetica, fa parte di una entusiasmante storia che dura da più di quarant’anni, in

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cui io mi trovai, quasi senza accorgermene, immerso. Sebbene sia anch’essa storia di vermucci , ho

ritenuto opportuno approfondirla, per le notevoli conseguenze da essa derivanti, di ordine fisico in

primo luogo, ma anche di ordine cosmologico e, in qualche misura, filosofico. Essa è la storia di

una forma di “luce” a microonde che da 300.000 anni a partire dal Big Bang pervade uniformemen-

te l’universo. Tramite la sua analisi, si è giunti a notevoli conclusioni in campo astronomico, soprat-

tutto negli ultimi anni, con l’adozione di sofisticate tecnologie.

Nell’approfondimento ho scelto pertanto di procedere con un’impostazione quadripartita: inizial-

mente si tratterà della scoperta della radiazione cosmica di fondo e della sua comprensione a livello

1 MAX PLANCK, Scientific Autobiography and Other Papers, New York 1949, P

HILOSOPHICAL LIBRARY

2 LUIGI PIRANDELLO, Il fu Mattia Pascal, Milano 1904, T

REVES 3

teorico. In secondo luogo, si prenderanno in considerazione le notevoli conseguenze a livello co-

smologico, nella conoscenza dell’universo nel suo insieme, assunte dalla radiazione stessa. Quindi

si procederà ad una concisa esposizione del satellite Planck, frutto di diciassette anni di lavoro da

parte di un team internazionale di fisici, tra cui alcuni dell’Università degli Studi di Milano. Infine

si delineeranno dei cenni sui problemi ancora aperti nel nostro modello fisico dell’universo, tesi ad

evidenziare come l’attuale modello del cosmo sia ancora a livelli di forte incompletezza.

Nell’approfondimento si sono rivelati di fondamentale importanza i contributi dedotti

dall’esperienza di laboratorio presso l’Università degli Studi di Milano, nel febbraio 2008. Un note-

vole apporto è stato inoltre fornito da alcuni aggiornamenti sulla missione Planck che ho potuto ri-

cevere subito dopo il suo lancio (avvenuto il 14 maggio 2009), assistendo ad una conferenza divul-

gativa di Marco Bersanelli, il 23 maggio 2009. 4

Capitolo 1. Coincidenze spiegate: ovvero come sia possibile rivoluzionare la scienza con

un’antenna.

1.0: Il fondo cosmico di microonde

L’astronomia è stata caratterizzata, sin dai suoi albori, da uno strumento il quale ha completamente

mutato, in seguito alla rivoluzione scientifica, la nostra concezione dell’universo intero: il telesco-

pio. In tal modo, la classica immagine dell’astronomo, assorto a scrutare il buio della notte, si ripete

anche in tempi moderni. Basti pensare ad Edwin Hubble, a cui si devono le approfondite ricerche

sull’espansione dell’universo; egli scoprì la famosa “legge di Hubble” misurando dal celebre tele-

scopio Hale di monte Palomar, in California, nel 1929.

Nella seconda parte del Novecento, tut-

tavia, si è verificata un’evoluzione tec-

nologica a ritmi frenetici. Anche

l’astrofisica e l’astronomia hanno risenti-

to dell’epocale cambiamento, così che

l’astronomo non è più colui che, affasci-

nato, osserva il cielo con un telescopio;

piuttosto, una sua raffigurazione tipica

potrebbe essere quella che lo ritrae di

fronte allo schermo di un computer (ciò

non toglie, tuttavia, che egli sia comun-

que affascinato). La tecnologia ha infatti

permesso di andare a sondare lunghezze

d’onda che vanno al di là del visibile,

rendendo così l’uomo capace di vedere

anche là dove l’occhio umano avverte il

buio assoluto.

La trattazione dell’universo svolta utiliz-

zando tali tecniche risulta essere alquan-

to peculiare: non si osserva la luce emes-

sa nelle ultime centinaia di milioni di

anni da galassie più o meno simili alla

nostra, ma si scandagliano forme di ra-

diazione impercettibili all’occhio umano,

come la radiazione cosmica di fondo. In

quanto invisibile agli occhi, essa non Figura 1.1: E. Hubble mentre osserva il cielo

venne scoperta prima del 1965:

l’umanità si accorse della sua presenza per un evento fortuito.

1.1: Penzias, Wilson e la casuale scoperta

La compagnia telefonica Bell, nel 1964, aveva commissionato la ricerca sulle comunicazioni con un

satellite (il satellite Echo); per la ricezione di dati dal satellite il Bell Telephone Laboratory dispo-

neva di un un’antenna, a forma di “corno”, di circa 6 metri di diametro. Tali caratteristiche la ren-

devano ideale per l’osservazione degli oggetti stellari nelle frequenze delle onde radio. 5

Due radioastronomi, Arno A. Penzias e Robert W. Wilson, cominciarono ad utilizzare l’antenna per

misurare l’intensità delle onde radio ad elevate latitudini galattiche, ossia approssimativamente in

maniera perpendicolare al piano della Via Lattea.

Questo tipo di misurazione risulta essere alquanto ostico. Le onde radio provenienti dalla nostra ga-

lassia possono essere considerate come una sorta di “rumore”, paragonabile a quel rumore “bianco”

presente nel momento in cui si sintonizza una radio analogica su una frequenza dove non si verifica

alcuna ricezione. Risulta pertanto difficile discernere la misura cui si è interessati da tutti i fattori

che producono un “rumore” simile, i quali tuttavia non rientrano nell’emissione del corpo celeste.

Ad esempio, al “rumore” della galassia (che si vuole misurare) si aggiungono quello prodotto dai

circuiti interni dell’antenna, quello prodotto dall’atmosfera, e molti altri fattori indesiderati.

Penzias e Wilson desideravano avere

una misurazione dell’emissione radio

della nostra galassia, ovverosia del

cielo stesso (e non di un particolare

oggetto). Pertanto si doveva procede-

re alla sistematica eliminazione di

ogni forma di segnale che provenien-

te non dal cielo, ma da fattori esterni,

o interni all’antenna.

Alcuni controlli preliminari

dell’antenna avevano rivelato delle

discrepanze alle quali non si poteva

fornire una spiegazione, ma a cui era

associato, con grande probabilità, un

eccesso di rumore elettrico interno

all’antenna. Per eliminare ogni sorta

di dubbio, Penzias e Wilson si servi-

rono di un dispositivo noto come Figura 1.2: Penzias e Wilson in primo piano, la massiccia

«carico freddo» (cold load), il quale struttura dell’antenna sullo sfondo

serviva da “confronto” per le misu-

razioni: esso consisteva in un campione di elio liquido raffreddato a circa 4 Kelvin. Penzias e Wil-

son operarono in tal modo: misurarono prima la potenza proveniente dal cold load, ed in seguito la

potenza proveniente dal cielo. Sottraendo dalla misurazione del cielo la misurazione del cold load

(la quale rendeva conto unicamente del rumore elettrico dell’antenna) si poteva dunque discriminare

il rumore elettrico dell’antenna, misurando unicamente i contributi esterni ad essa.

A causa della minuzia con cui l’antenna era stata costruita, Penzias e Wilson ritenevano che il ru-

more elettrico all’interno della sua struttura dovesse essere minimo. Nell’intento di verificare questo

assunto, cominciarono le osservazioni alla lunghezza d’onda di 7,35 centimetri, in corrispondenza

della quale i cosmologi non prevedevano particolari fonti di radiazione dall’universo. Penzias e

Wilson avrebbero solamente dovuto sottrarre il restante contributo di “rumore” derivante

dall’atmosfera, e si attendevano, a quel punto, di avere segale zero. Sarebbe stato allora possibile

procedere allo studio della galassia stessa a una lunghezza d’onda maggiore, attorno a 21 centimetri,

in corrispondenza della quale si prevedeva che il rumore radio galattico fosse apprezzabile.

Onde siffatte (la cui lunghezza d’onda è di 7,35 cm oppure 21 cm) sono note come “microonde”. Il

prefisso micro- non è posto perché la loro lunghezza d’onda sia breve, ma poiché, in confronto alle

onde utilizzate dai radar nella seconda guerra mondiale, esse sono più corte. 6

Non poco stupore destò la scoperta di un considerevole segnale, nella primavera del 1964, alla lun-

ghezza d’onda di 7,35 centimetri. La sua caratteristica più misteriosa era l’uniformità. Tale rumore

non dipendeva dalla direzione in cui il cielo era

osservato, non variava con l’ora del giorno o con

l’avvicendarsi delle stagioni. Penzias e Wilson

esclusero che tale radiazione provenisse dalla no-

stra galassia. Se così fosse stato, ragionevolmente

i due radioastronomi avrebbero dovuto ricevere

un forte segnale dalla galassia di Andromeda,

M31, alla stessa lunghezza d’onda di 7,35 centi-

metri. Tale segnale non veniva ricevuto. Il fatto

più sorprendente, tuttavia, risultava essere

l’assenza di ogni variazione in funzione della di-

rezione del rumore a microonde: tale connotazio-

ne metteva in evidenza la provenienza delle onde Figura 1.3: la galassia di Andromeda, M31

da un volume dell’universo infinitamente più nel catalogo di Messier

grande della nostra Via Lattea.

La necessità dell’eliminazione di ogni rumore radio all’interno dell’antenna divenne perciò priorita-

ria. In particolare, si sapeva che una coppia di piccioni era andata ad alloggiare nell’imbuto

dell’antenna. I piccioni furono catturati e spediti alla sede di Whippany dei Bell Laboratories; libe-

rati, furono nuovamente

trovati nella antenna di

Holmdel alcuni giorni

dopo; catturati di nuovo,

furono finalmente sco-

raggiati dal fare

dell’antenna una piccio-

naia con il ricorso a

mezzi più energici. Eli-

minata la presenza dei

piccioni, all’inizio del

1965 si smontò l’antenna

per ripulirla accurata-

mente. Tuttavia tale pro-

cedura provocò solo una

minima diminuzione del

rumore radio ricevuto.

Rimaneva pertanto in-

spiegata la provenienza

del rumore radio.

L’unico dato numerico