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POLARBEAR misura i modi-B del ‘lensing’ gravitazionale

Un gruppo internazionale di fisici hanno misurato un ‘segnale caratteristico’ nella polarizzazione della radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Background, CMB) che potrà permettere di mappare la struttura su grande scala dell’Universo, determinare la massa del neutrino e magari di svelare alcuni misteri legati alle enigmatiche materia scura ed energia scura. In un articolo pubblicato sulla rivista Astrophysical Journal, i ricercatori del programma scientifico POLARBEAR, guidato dal fisico Adrian Lee della UC Berkeley, descrivono i primi risultati relativi alla rivelazione dei “modi-B” nella polarizzazione della radiazione cosmica di fondo dovuti al fenomeno della lente gravitazionale.

La polarizzazione della radiazione è una proprietà che descrive la direzione dell’oscillazione del campo elettrico, detto modo-E. Quando la radiazione passa attraverso il campo gravitazionale di oggetti massicci, come gli ammassi di galassie, il modo-E viene ruotato creando un modo-B.  “Abbiamo ottenuto la prima dimostrazione sulla possibilità di isolare i modi-B dovuti alla sola lente gravitazionale“, spiega Lee. “Inoltre, abbiamo dimostrato che si può misurare il segnale di base che permetterà di realizzare ricerche molto sensibili per la determinazione della massa del neutrino e per ricavare nuovi indizi sull’evoluzione dell’energia scura”. Gli scienziati hanno sottomesso l’articolo una settimana prima del sorprendente annuncio del 17 Marzo da parte del gruppo BICEP2 in cui si affermava di aver trovato “la prima evidenza diretta” delle ‘impronte digitali’ lasciate nella radiazione cosmica di fondo dal passaggio delle onde gravitazionali primordiali emerse in seguito all’inflazione cosmica, cioè quel periodo di rapida espansione esponenziale che ha dato forma e volume all’Universo (post). Tuttavia, osservazioni successive, come quelle annunciate il mese scorso dal satellite Planck (post), hanno spento, per così dire, il clamore sui risultati BICEP2, suggerendo che si tratta di ‘artefatti sperimentali’ dovuti alla polvere interstellare. Se mai POLARBEAR potrà eventualmente confermare o smentire i risultati BICEP2, finora dobbiamo dire che l’esperimento si è focalizzato sullo studio della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo per mappare la distribuzione della materia indietro nel tempo fino all’epoca in cui l’Universo divenne trasparente alla luce, cioè 380 mila anni dopo il Big Bang. L’approccio di POLARBEAR, che è diverso da quello utilizzato da BICEP2, potrà consentire ai ricercatori di determinare il periodo in cui l’energia scura, quella componente misteriosa che si ritiene responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo, ha cominciato a dominare la gravità che per gran parte della storia cosmica ha rallentato l’espansione dello spazio.

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La radiazione cosmica di fondo, residuo del Big Bang, è polarizzata, così come la maggior parte della luce a noi familiare. Un modo-E della polarizzazione è simmetrico, riflette le condizioni fisiche del punto in cui è stato emesso. Un modo-B della polarizzazione indica che la luce è stata distorta a seguito di interazioni con oggetti massicci man mano che si propaga nello spazio prima di raggiungere i nostri strumenti. I modi-B permettono di mappare la distribuzione di materia nell’Universo. Credit: Wayne Hu

BICEP2 e POLARBEAR sono stati progettati per misurare i modi-B della polarizzazione, cioè l’angolo di polarizzazione in ciascun punto per una determinata zona di cielo. BICEP2, che si trova al Polo Sud, può effettuare le misurare dei modi-B solo su grandi scale angolari, lì dove i teorici hanno previsto le ‘tracce’ impresse dalle onde gravitazionali ‘primordiali’ nella radiazione cosmica di fondo (post). Secondo il modello di Alan Guth, noto come inflazione cosmica, le onde gravitazionali ‘primordiali’ sarebbero state create da una breve e rapida espansione esponenziale, l’inflazione appunto, 10-36 secondi dopo il Big Bang. Durante questa primissima fase della storia cosmica, l’Universo era una sorta di laboratorio di alta energia, molto più caldo e più denso di adesso, e con un’energia mille miliardi di volte superiore a quella che sono in grado di produrre all’LHC. Ma osservando l’Universo primordiale, POLARBEAR potrebbe fornire alcune evidenze sull’esistenza di una ‘nuova fisica’ magari rivelando nuove particelle ad energie estremamente elevate. Ma a differenza di BICEP2, POLARBEAR è stato progettato per misurare la polarizzazione su scale angolari sia piccole che grandi.

Dal 2012, quando i ricercatori hanno iniziato a raccogliere i primi dati, sono state analizzate le scale angolari più piccole e ora i nuovi dati suggeriscono che non solo si possono misurare i modi-B della polarizzazione ma che si possono utilizzare per ricostruire la distribuzione della massa lungo la linea di vista.

Di fatto, gli scienziati osservano la ‘luce più antica’ per capire come sono distribuite le strutture gravitazionali su larga scala, cioè gli ammassi di galassie o i superammassi, che si sono evoluti nel corso del tempo da quelle che inizialmente erano piccole fluttuazioni di densità. Queste strutture fungono da lente gravitazionale e ‘piegano’, per così dire, la luce quando essa le attraversa: il risultato è la distorsione della polarizzazione e la conversione dei modi-E in modi-B. In altre parole, POLARBEAR misura i modi-B della polarizzazione generati dall’effetto della lente gravitazionale dovuta alla distribuzione della materia nell’Universo. Mentre i modi-E contengono solo alcune informazioni, i modi-B forniscono più indizi. Infatti, i fotoni trasportano l’informazione associata ai modi-B solo se la materia intorno all’ultimo punto di dispersione è distribuita in maniera irregolare o asimmetrica. In particolare, le onde gravitazionali ‘primordiali’ generate dal processo di inflazione determinarono uno ‘stiramento’ dello spazio impartendo nella radiazione cosmica di fondo i modi-B della polarizzazione che BICEP2 potrebbe aver rilevato. Invece, POLARBEAR ha misurato i modi-B che sono prodotti dalla distorsione dei modi-E per l’effetto della lente gravitazionale. E’ qui che sta la differenza sostanziale tra i due esperimenti. Infine, c’è da dire che a differenza di BICEP2, il cui segnale associato all’inflazione su scale angolari più piccole è contaminato dal segnale dei modi-B dovuto all’effetto della lente gravitazionale, POLARBEAR possiede un elevato potere esplorativo tale che gli astronomi sono in grado di sottrarre il segnale dovuto alla lente gravitazionale da quello associato alla propagazione delle onde gravitazionali primordiali e perciò, come si dice nel gergo scientifico, renderlo “pulito”.

University of Berkeley: POLARBEAR seeks cosmic answers in microwave polarization
arXiv: A Measurement of the Cosmic Microwave Background B-Mode Polarization Power Spectrum at Sub-Degree Scales with POLARBEAR