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La materia scura e i neutrini fossili ‘visti’ da Planck

Dal 2009 al 2013, il satellite Planck ha osservato la radiazione fossile, detta anche radiazione cosmica di fondo, che rappresenta la luce più antica che siamo in grado di osservare. Per la prima volta, la radiazione fossile è stata misurata in maniera accurata su tutto l’intero cielo, sia in intensità che polarizzazione, fornendo l’immagine più vecchia dell’Universo.

La mappa della temperatura (in basso a sinistra) e quattro ingrandimenti che mostrano la polarizzazione della radiazione nel canale 353 GHz (i colori corrispondono all’intensità dell’emissione termica della polvere interstellare della Via Lattea). Credit: ESA-Planck collaboration

Già nel 2013, venne resa pubblica la mappa relativa alle variazioni dell’intensità della radiazione cosmica che mostrava la distribuzione della materia appena 380 mila anni dopo il Big Bang (post). Grazie alle misure della polarizzazione, al momento su quattro canali di frequenza, su sette totali, Planck ci permette di capire come si muoveva la materia. In altre parole, la nostra visione dell’Universo primordiale diventa dinamica e questa nuova dimensione, assieme alla qualità dei dati, ci permette di verificare vari aspetti del modello cosmologico standard (post). Grazie all’analisi completa dei dati di questa luce primordiale, la qualità della mappa è tale che ora siamo in grado di ottenere preziosi indizi sulla materia scura e, in particolare, sui neutrini fossili.

Nuovi limiti sulla materia scura

I dati di Planck permettono ora di escludere un’intera classe di modelli che tentano di descrivere la materia scura in cui le annichilazioni materia scura-antimateria sono importanti. L’annichilazione è un processo fisico in cui una particella e la sua antiparticella scompaiono insieme emettendo energia. Nonostante l’esistenza della materia scura sia un fatto assodato, la natura delle particelle che la compongono è ancora sconosciuta. Esistono varie ipotesi che riguardano la natura fisica di questa materia esotica e uno degli obiettivi di oggi è quello di restringere le possibilità, ad esempio, cercando di studiare gli effetti che essa ha sulla materia ordinaria e sulla radiazione. Le osservazioni di Planck mostrano che non è necessario richiedere l’esistenza di un forte processo di annichilazione di materia scura-antimateria per spiegare la dinamica dell’Universo primordiale. Tali eventi avrebbero prodotto abbastanza energia da esercitare una certa influenza sull’evoluzione del fluido di materia-radiazione che esisteva durante le fasi iniziali della storia cosmica, specialmente all’epoca in cui emerse la radiazione fossile. Ad ogni modo, le più recenti osservazioni non mostrano particolari indizi che ciò sia realmente accaduto. Questi risultati sono ancora più interessanti se vengono confrontati con le misure ottenute con altri strumenti. I satelliti Fermi e Pamela, così come l’esperimento AMS-02 a bordo della ISS, hanno tutti osservato un eccesso di raggi cosmici, che potrebbero essere interpretati come conseguenza dell’annichilazione della materia scura. Ma secondo i dati forniti da Planck, si deve considerare una spiegazione alternativa di queste misure, ad esempio una eventuale radiazione associata a pulsar che non sono state rivelate, se si fa la ragionevole assunzione che le proprietà delle particelle di materia scura siano stabili nel corso del tempo. Inoltre, i risultati di Planck hanno confermato che la percentuale di materia scura è poco più del 26% e gli scienziati del team hanno ottenuto mappe più accurate della densità di materia alcuni miliardi di anni dopo il Big Bang, grazie soprattutto alle misure della temperatura e della polarizzazione dei modi-B.

Rivelati i neutrini fossili

I recenti risultati di Planck ci permettono di avere altre informazioni su una classe di particelle elusive: i neutrini. Queste particelle “fantasma”, che sono prodotte in abbondanza nel Sole, possono attraversare il nostro pianeta senza interagire, il che li rende sfuggenti e difficili da catturare. Non è perciò realistico rivelare direttamente i “primi neutrini”, cioè quelli che furono creati entro il primo secondo dopo il Big Bang e che erano poco energetici. Comunque sia, Planck ha rivelato senza alcuna ambiguità, e per la prima volta, l’effetto di queste particelle fossili sulle mappe della radiazione cosmica di fondo. I neutrini fossili emersero circa un secondo dopo il Big Bang, quando l’Universo era ancora opaco alla luce ma trasparente a queste particelle, che possono liberamente sfuggire da ambienti opachi ai fotoni, come appunto il nucleo del Sole. Dopo circa 380 mila anni, quando emerse la radiazione fossile, essa portava le impronte dei neutrini poiché i fotoni erano soggetti all’interazione gravitazionale con queste particelle. Osservare i fotoni più vecchi ha reso possibile confermare le proprietà dei neutrini. I dati di Planck sono perciò consistenti con il modello standard delle particelle. Essi escludono essenzialmente l’esistenza di una quarta specie di neutrini (post), che è stata considerata una possibilità basata sui dati finali di WMAP. Infine, Planck pone un limite superiore alla somma della massa dei neutrini che attualmente è fissata a 0,23 eV.

L’insieme completo dei dati, insieme ai relativi articoli che saranno sottomessi ad Astronomy & Astrophysics (A&A), saranno disponibili il 22 Dicembre 2014 sul sito web dell’ESA.

CNRS: Planck : new revelations on dark matter and relic neutrinos