SCOPERTE/ Ecco la firma lasciata dalle onde gravitazionali nell’universo appena nato

Lo studio sul fondo cosmico di microonde consente oggi di ritrovare in esso le tracce dirette del grande scoppio da cui tutto è iniziato. L’intervista a MARCO BERSANELLI e DANIELE MENNELLA

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(InfoPhoto)

A volte nella storia della scienza gli anniversari assumono una portata che va oltre il semplice ricordo di un episodio storico.

È la situazione che potrebbe verificarsi dopo l’annuncio dato ieri alle 15:45 ora italiana alla conferenza stampa presso l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics dai responsabili di una collaborazione di varie università e istituti di ricerca di Usa e Canada (il Caltech, il JPL e le università di San Diego, Harvard, Boulder, Stanford, British Columbia, Chicago, Minnesota, Toronto e Wales Cardiff). Esattamente a 50 anni dalla scoperta del fondo cosmico di microonde (Cosmic Microwave Background, CMB), che ha fornito un consistente riscontro sperimentale della cosmologia del Big Bang, ora lo studio accurato di quello stesso CMB consente di leggervi impressa la firma delle onde gravitazionali, come dire le tracce dirette del grande scoppio iniziale col quale tutto è cominciato.Questo risultato è stato possibile grazie al telescopio criogenico a microonde BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), installato presso la Amundsen–Scott South Pole Station in Antartide, il quale tra il 2010 e il 2012 ha osservato il fondo cosmico di microonde in una regione di 380 gradi quadrati di cielo alla lunghezza d’onda di 2 millimetri (150 GHz).

Lo strumento è equipaggiato con 512 sensori bolometrici in grado di misurare la debole componente polarizzata del fondo cosmico, ciascuno con la sensibilità di 300 milionesimi di Kelvin per secondo. Tra i primi a cogliere l’importanza di un risultato del genere ci sono gli astrofisici della missione PLANCK dell’ESA, una missione indirizzata proprio allo studio di altissima precisione del CMB, che, conclusa la fase osservativa, un anno fa hanno diffuso i primi spettacolari risultati relativi nientemeno che alla data di nascita dell’universo. Abbiamo raggiunto all’Università degli Studi di Milano Marco Bersanelli e Daniele Mennella per commentare con loro le notizie provenienti dal Polo Sud via Harvard.

Bersanelli, che è Deputy PI e Instrument Scientist del Low Frequency Instrument (LFI), uno dei due strumenti a bordo del satellite PLANCK, parla di «una scoperta che, se confermata, rappresenta un passo avanti di enorme importanza per la nostra comprensione dell’universo primordiale e un’ulteriore conferma della teoria della Relatività Generale di Einsten».

Negli ultimi due decenni una vasta gamma di esperimenti sono stati dedicati allo studio della prima luce dell’universo, il CMB appunto. «Si tratta di una radiazione – ci spiega Mennella, che è Calibration Manager di LFI – che ha viaggiato per 14 miliardi di anni e che ci porta un’immagine diretta dell’universo infuocato degli inizi, a una temperatura di 3000 K e corrispondente a un redshift di circa 103.

La mappa più profonda e dettagliata del fondo cosmico sull’intero cielo è stata recentemente rilasciata da PLANCK e nuovi fondamentali dati dalla missione sono attesi nei prossimi due anni».Nel frattempo sono stati portati avanti vari esperimenti con osservazioni da terra o da pallone stratosferico, capaci di misurare regioni limitate di cielo con altissima precisione e di cogliere in questo modo caratteristiche fini della radiazione. Tra queste la più ricca informazione è la polarizzazione della luce primordiale. «Uno dei meccanismi in grado di polarizzare il fondo cosmico (e di generare i cosiddetti “modi B” rilevati da BICEP2) – osserva Bersanelli – è la presenza di onde gravitazionali nell’universo al tempo dell’inflazione: con questo termine viene descritto il periodo di espansione esponenziale prevista dall’omonima teoria, un periodo ipotizzato su tempi dell’ordine di 10-32-10-35 secondi dopo il Big Bang. Questa teoria è stata sviluppata a partire dagli anni ’80, grazie al lavoro teorico di Alan Guth e altri, per spiegare alcuni fatti altrimenti fisicamente incomprensibili nel nostro universo, quali la sua straordinaria “piattezza” (cioè il fatto che la sua geometria è pressoché perfettamente euclidea) e la sua estrema isotropia anche su scale apparentemente disconnesse causalmente. Inoltre l’inflazione fornirebbe un meccanismo per la prima generazione delle perturbazioni primordiali che vediamo tracciate dalle anisotropie del CMB, cioè da quelle increspature che hanno dato origine a tutte le strutture dell’universo presente».I risultati di BICEP2 darebbero per la prima volta un’evidenza diretta di quella primordiale inflazione cosmica.

«Il meccanismo fisico responsabile della polarizzazione rivelata da BICEP2 – prosegue Mennella – sono le onde gravitazionali prodotte al momento dell’inflazione: piccole oscillazioni nella metrica dello spazio-tempo previste dalla Relatività Generale, che modificano lo stato di polarizzazione dei fotoni in modo prevedibile, con un’ampiezza che dipende dall’energia caratteristica dell’epoca dell’inflazione. La misura dei “modi B” di polarizzazione è, pertanto, anche una prova indiretta dell’esistenza di onde gravitazionali».

Un risultato rivoluzionario, quindi? «Come in ogni grande scoperta- conclude Bersanelli – occorrono verifiche incrociate, con esperimenti e dati diversi prima di essere certi del risultato. I dati attesi da PLANCK per il 2014 e il 2015 costituiranno, in questo contesto, la base per una conferma o meno della scoperta. Certo è che il team di BICEP2 ha prodotto uno strumento e dei dati di prim’ordine, che costituiscono una sfida appassionante per i cosmologi del XXI secolo».

(Mario Gargantini)

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