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Planck avvalora il modello cosmologico standard

In questi giorni, i cosmologi sono riuniti a Palazzo Costabili, nella città di Ferrara, per discutere gli ultimi risultati ottenuti dal satellite Planck sulla temperatura e la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo (post). Il risultato principale è una nuova mappa a tutto cielo che mostra lo stato fisico dell’Universo infante appena 380 mila anni dopo il Big Bang e i cui dati saranno pubblicati sulla rivista Astronomy & Astrophysics non prima del 22 Dicembre 2014.

L’immagine illustra una porzione del cielo che mostra la temperatura e la polarizzazione delle microonde, riflessa dalla polvere distribuita lungo le linee di forza del campo magnetico galattico. Credit: ESA

La radiazione cosmica di fondo, che rappresenta l’eco del Big Bang, è emersa quando l’Universo aveva 380 mila anni, all’epoca della ricombinazione ossia quando si formarono i primi atomi. A seguito dell’espansione dello spazio, la temperatura della radiazione si abbassò e la sua lunghezza d’onda divenne più lunga per diventare oggi la radiazione fossile che riveliamo nel dominio delle microonde. Attraversando il cielo, la temperatura delle microonde varia leggermente così come la polarizzazione. I nuovi risultati confermano ampiamente i dati ottenuti dal gruppo di Planck nel 2013 (post) e permettono di ridefinire una nuova mappa della temperatura nella banda delle microonde che mostra quelle deboli variazioni di densità da cui si formarono nel corso del tempo le strutture cosmiche che possiamo ammirare oggi sotto forma di galassie. “All’epoca ci furono delle incertezze nelle misure e piccole tensioni rispetto ai dati del predecessore di Planck, ossia il satellite WMAP della NASA, ma poi dopo aver analizzato tutto l’insieme dei dati essi si sono ridotti”, ha spiegato durante la conferenza stampa Nazzareno Mandolesi, un cosmologo dell’INAF. “Ad esempio, WMAP e Planck erano discordi di circa l’1-1,5% sulle rispettive misure della temperatura ma un’ulteriore calibrazione dei dati ha permesso di ridurre il disaccordo a meno dello 0,3% entro gli errori statistici. Inoltre, per quanto riguarda i parametri cosmologici, i ricercatori di Planck hanno determinato una età leggermente superiore ed un valore leggermente più piccolo del tasso di espansione dell’Universo rispetto ai parametri forniti da WMAP. Ma utilizzando più dati, i numeri si sono spostati e ora concordano entro le incertezze sperimentali”. Dunque, l’immagine rivela un Universo che ha un’età di 13,8 miliardi di anni ed è composto dal 4,9% di materia ordinaria, dal 26,6% della misteriosa materia scura e dal 68,5% da una componente ancor più misteriosa, che gli astronomi chiamano energia scura, e che sta causando l’accelerazione all’espansione cosmica. Si tratta di un risultato che dà valore e credito al modello standard cosmologico che è stato formulato nel corso degli ultimi vent’anni per descrivere l’evoluzione dell’Universo. “Ciò che vediamo è impressionante”, ha dichiarato l’astrofisico Lyman Page. “E’ affascinante che solo 6 parametri siano sufficienti per descrivere l’Universo”. E’ un pò come descrivere la figura di un elefante con soli 6 punti. Insomma, si tratta di un ‘trionfo’ del modello cosmologico che non presenta particolari discrepanze che potrebbero puntare ad una comprensione più profonda della fisica. “Speravo di trovare qualche anomalia”, ha affermato poi Mandolesi.

Gli scienziati non sono ancora in grado di risolvere il mistero della materia scura, lo ‘scheletro cosmico’ su cui sono distribuite le galassie e gli ammassi di galassie. Ora, però, i dati di Planck ci permettono di fare un passo in avanti almeno su ciò che non è, escludendo alcuni modelli in cui le particelle esotiche di materia scura potrebbero collidere e annichilare ad un ritmo elevato. Questi modelli sono stati introdotti per spiegare un eccesso di raggi cosmici rivelati in particolare da alcuni recenti esperimenti condotti con il satellite per raggi-gamma Fermi e l’Alpha Magnetic Spectrometer a bordo della ISS (post1; post2). Inoltre, Planck ha inferto, si fa per dire, un duro colpo ad un’altra possibile famiglia di particelle candidate di materia scura, cioè i famigerati neutrini, particelle misteriose alquanto sfuggenti. I fisici delle particelle conoscono tre tipi di neutrini, un fenomeno noto come oscillazione, e da qualche tempo ci si chiede se ce ne sono altri che potrebbero influenzare, in qualche modo, l’evoluzione dell’Universo. Nonostante ciò, i dati di Planck lasciano poco spazio all’esistenza di un quarto tipo di neutrino, il cosiddetto neutrino-sterile, un’ipotetica particella che che non interagisce tramite una qualsiasi delle interazioni fondamentali del modello standard ad eccezione della gravità (post1; post2).

Un’altra discrepanza sollevata da precedenti osservazioni cosmologiche riguarda l’epoca che risale alla formazione delle prime stelle che generarono una elevata radiazione ultravioletta tale da ionizzare gli atomi di idrogeno nel mezzo interstellare. I risultati di WMAP suggeriscono che la prima generazione di stelle emerse dopo circa 400 milioni di anni ma le osservazioni dei quasar hanno invece indicato che le prime stelle si formarono tra 700-800 milioni di anni dopo il Big Bang. Gli ultimi dati di Planck sembrano convergere verso il valore fornito dallo studio dei quasar.

L’ansia cresce tra gli astronomi in merito alla possibilità che Planck abbia osservato nella radiazione cosmica di fondo le “tracce” impresse dal passaggio delle ‘onde gravitazionali primordiali’. Ma dal valore aggiunto ricavato grazie alla nuova mappa della polarizzazione delle microonde, si spera di ottenere una informazione fondamentale che potrebbe far luce su ciò che stava accadendo all’Universo un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo dopo il Big Bang. Infatti, tra le ipotesi più calde che vengono sollevate durante questi giorni al congresso di Ferrara c’è l’idea, nota come inflazione cosmica, in base alla quale l’Universo subì una fase di rapida espansione esponenziale che diede forma e volume allo spazio definendone una geometria. Secondo i teorici, l’inflazione avrebbe determinato la rotazione del piano di polarizzazione della radiazione elettromagnetica (modi-E) producendo una caratteristica geometria della polarizzazione delle microonde (modi-B). A Marzo, la notizia annunciata dal gruppo di Harvard, che lavora all’esperimento BICEP2 al Polo Sud, sulla possibile rivelazione dei modi-B fece il giro del globo (post). Tuttavia, dopo tre mesi di dibattito su una tale scoperta, gli astronomi conclusero che il segnale era stato contaminato dalla polvere interstellare della nostra galassia che può a sua volta imprimere una rotazione alle microonde (post1; post2). Il punto di forza di Planck è che può osservare le microonde attraverso nove canali diversi di frequenza, il che facilità il compito nel distinguere la polvere, mentre BICEP2 è dotato di un solo canale. A Settembre, una comunicazione preliminare del gruppo di Planck confermò il fatto che c’era di fatto tanta contaminazione dovuta alla polvere interstellare nei dati di BICEP2 per tener conto dei modi-B, anche se ci sono ancora enormi incertezze che lasciano spazio alla possibilità di una eventuale rivelazione delle onde gravitazionali primordiali (post). Successivamente, Planck e BICEP hanno concordato una analisi congiunta dei dati. Per determinare il contributo della polvere nei dati di BICEP2, i ricercatori devono confrontare la porzione di cielo osservata dal Polo Sud con quella della polarizzazione di Planck dovuta alla polvere (post). “Alcuni ricercatori che non fanno parte del gruppo di Planck hanno già tentato di fare questo mostrando che le due mappe sono ampiamente eguali”, dice Uroš Seljak, un cosmologo dell’University of California, a Berkeley. Ciò suggerisce che il presunto segnale sia dovuto sostanzialmente alla polvere interstellare. “E’ probabile che lo stesso satellite Planck non abbia quella sensibilità per rivelare le onde gravitazionali”. Comunque sia, alcuni teorici ritengono che i risultati dell’analisi congiunta Planck/BICEP2 permetteranno di porre un limite superiore all’intensità del segnale associato ai modi-B in modo da escludere alcuni modelli che tentano di spiegare cosa ha causato l’inflazione.

Intanto, i ricercatori di Planck hanno pubblicato le mappe della polarizzazione che, secondo gli astronomi, saranno utili per studiare come l’effetto antigravitazionale dovuto all’energia scura e quello dovuto all’attrazione gravitazionale della materia scura si siano combinati per far evolvere le strutture cosmiche e, in generale, l’Universo a partire da 2-3 miliardi di anni dopo il Big Bang, un’epoca cruciale. Intanto, la comunità scientifica attende i risultati le cui date di pubblicazione sono state varie volte modificate. Inizialmente, i ricercatori di Planck speravano di ottenere le mappe della polarizzazione entro l’estate scorsa. Poi hanno fissato la scadenza per il mese di Novembre 2014, in modo da poter presentare i dati alla conferenza di Ferrara. Allo stesso modo, l’analisi congiunta Planck/BICEP2 si attende questo mese o entro la fine di Gennaio 2015.

Appuntamento quindi al 15 Dicembre prossimo all’Istituto di Astrofisica di Parigi per la seconda parte della presentazione dei dati di Planck.

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