08 – La Radiazione Cosmica di Fondo

Indice

• La scoperta della Radiazione Cosmica di Fondo
• Cos’è la CMB?
• Una canzone antica
• Aspettando la Luce

La scoperta della Radiazione Cosmica di Fondo

Abbiamo lasciato l’Universo quando aveva circa 380.000 anni, a circa 3000 K. È il periodo della ricombinazione, in cui la materia si è aggregata in atomi e i fotoni hanno iniziato a muoversi nello spazio, intraprendendo quel lunghissimo viaggio che li ha portati anche da noi. Abbiamo anche detto che questi fotoni sono stati successivamente scoperti da Penzias e Wilson nel 1965, noti ora come la Radiazione Cosmica di Fondo (CMB). Questa radiazione praticamente uniforme e corrispondente alla temperatura di un corpo a 2,725 K dava un colpo irrimediabile alle teorie alternative a quella che ora chiamiamo “Teoria del Big Bang”.

Cos’è la CMB?

Ma come doveva essere, secondo la teoria, e com’è, effettivamente, la CMB?

Innanzitutto, non può trattarsi di luce visibile. Ricordiamo infatti che la lunghezza d’onda dei fotoni dipende dalla loro temperatura: più la temperatura scende, più l’onda si allunga, e la frequenza si riduce. Quando sono stati emessi, la loro temperatura era di circa 3000 K, il che corrisponde a una luce visibile di colore rosso.

All’inizio dell’era della ricombinazione quindi, se fossimo stati lì, avremmo vissuto in uno spazio sconfinato colmo di luce rossa. Niente stelle o pianeti, solo luce, e particelle di materia invisibili all’occhio umano. Lo spazio però continuava inesorabilmente ad espandersi, e con l’espansione la temperatura scendeva.

Questi fotoni primordiali hanno così perso energia, diventando ben presto radiazione infrarossa (con una lunghezza d’onda maggiore della luce), e quindi invisibile a immaginari esseri umani primordiali. Per tale motivo, questo periodo è chiamato Età Oscura. Avremmo vissuto in un ambiente completamente buio per noi, in quanto i fotoni primordiali non emettono più luce visibile, e non vi è ancora nulla capace di produrre nuova luce.

Con l’ulteriore riduzione della temperatura dell’Universo, i fotoni primordiali hanno continuato a perdere energia, spostandosi verso la parte bassa dello spettro elettromagnetico. Oggi, in conseguenza del tasso e della durata dell’espansione cosmica, la loro temperatura corrisponde a quella di un corpo a circa 3 K, cioè di pochissimo al di sopra dello zero assoluto. Per chi abita vicino a una calda e accogliente stella, come noi, questo sembra assurdo, ma in realtà la temperatura media dell’Universo, negli sterminati spazi interstellari, è proprio di circa 3 K. A quella gelida temperatura, le onde dei fotoni sono così lunghe da collocarsi nella fascia delle microonde.

Ed infatti, il “rumore” rilevato da Penzias e Wilson è proprio una radiazione nel range delle microonde.

La CMB è costituita da fotoni che, una volta liberi, hanno iniziato a riempire il Cosmo in espansione in tutte le direzioni. È perciò quasi del tutto isotropa (uguale ovunque la si osservi), e omogenea (uguale in tutte le direzioni). In realtà, le recenti osservazioni hanno rilevato piccolissime fluttuazioni nella CMB,  anch’esse in linea con il Modello Cosmologico Standard.

La scoperta della radiazione cosmica di fondo rappresenta una evidenza schiacciante a favore del Big Bang, accanto alla ormai certa espansione dell’Universo e all’abbondanza in natura degli elementi primordiali (idrogeno ed elio).

Una canzone antica

È bello pensare alla CMB come a una musica a basso volume trasmessa da altoparlanti in ogni angolo dello spazio, posti in modo che l’audio abbia le stesse qualità per tutti. Una canzone antica, che ci narra le nostre origini, e ci ricorda che la nostra esistenza va ben oltre la lunghezza di una vita umana. Nulla si distrugge, tutto si conserva e si trasforma. E noi, quando è stata creata questa canzone, eravamo lì.

Abbiamo fantasticato un pochino, tuttavia non troppo. La CMB è davvero una musica che tutti possiamo ascoltare. Fino a qualche anno fa, capitava a tutti. Ricordate i televisori analogici? Quando venivano sintonizzati su nessun canale comparivano segnali di disturbo con un rumore di sottofondo. Ebbene, parte di quel segnale era costituito dalla CMB! La voce dell’Universo primordiale veniva amplificata ed entrava direttamente nelle nostre case.

Aspettando la luce…

Ma torniamo alla nostra storia. Abbiamo assistito alla nascita della CMB e all’inizio dell’Età Oscura. Ora l’Universo è tutto buio per noi. Rimaniamo un po’ a curiosare in questo spazio tenebroso, ma senza paura. Come si sa, gli occhi vedono solo una minima parte di ciò che accade.

Il buio di questo periodo cela in realtà una frenetica attività ad opera della materia. Preparativi che dureranno qualche centinaio di milioni di anni, per organizzare una festa sfavillante che continua tutt’ora. Presto avremo di nuovo la luce, una luce non prodotta dal Big Bang, ma da qualcos’altro, che ci è ben più familiare. Da quella meravigliosa fabbrica di luce e di elementi che chiamiamo stelle. Se ciò sarà possibile, sarà grazie alla gravità. Per questo dedicheremo a lei, alla gravità, e alle altre forze della fisica, il prossimo breve Capitolo.

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