Cosa ha trovato Planck?

Oggi è stato un grande giorno per la cosmologia. I dati del satellite Planck sono stati resi pubblici. Detto così non dice niente quindi proviamo a fare un poco di chiarezza dicendo innanzitutto cos’è Planck, a cosa serve e cosa ha trovato di bello, ovviamente senza entrare troppo nei dettagli.

Planck è un satellite dell’ESA (European Space Agency). Il suo compito è stato quello di misurare le fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo dell’universo.
Ora, la radiazione cosmica di fondo (che in seguito per abbreviare chiamerò all’inglese CMB cioè Cosmic Microwave Background) è un qualcosa di fondamentale in cosmologia.
In sostanza, prima che le galassie si formassero, la materia (che in seguito ha appunto formato le galassie) era “accoppiata” ai fotoni, cioè onde elettromagnetiche. Questo accoppiamento consisteva in una serie ripetuta di interazioni tra fotoni e elettroni che si urtavano a vicenda. Tale situazione sussisterebbe ancora oggi se non fosse che l’universo si espande. Infatti l’espansione dell’universo ha permesso che fotoni e elettroni avessero più “spazio” (perdonatemi per questa infelice metafora). Il punto è che alla fine dei conti i fotoni si sbarazzano degli elettroni e possono viaggiare senza interruzioni attraverso l’universo.
E così arrivano sino a noi. Però, l’espansione dell’universo ha un altro effetto su questi fotoni che provengono dai luoghi più reconditi dell’universo. Infatti i fotoni sono onde elettromagnetiche e siccome durante il loro viaggio l’universo si espande, l’effetto finale è che la loro lunghezza d’onda aumenta. In pratica vengono “stirati” (chiedo ancora perdono!).
Quindi vuol dire che per misurare il CMB dobbiamo sintonizzare i nostri strumenti su lunghezze d’onda molto grandi perché il “disaccoppiamento” è avvenuto parecchio miliardi di anni fa e quindi i fotoni si sono stirati abbastanza!
Facendo un po’ di conti alcuni scienziati della prima metà dello scorso secolo avevano previsto di osservare il CMB nelle microonde. Ed è lì che è stata trovata questa radiazione.

Passiamo alla seconda questione, ovvero perché il CMB è molto importante. Quello che si osserva è che questa radiazione appare essere la stessa ovunque si guardi nel cielo (ovviamente una volta rimossi alcune anisotropie dovute al moto della Terra intorno al Sole e del Sole intorno al centro della Via Lattea). Dunque il CMB è praticamente uguale in tutte le direzioni (si dice anche isotropo); ci sono solo piccole fluttuazioni dell’ordine di una parte su centomila.
Questa isotropia, associata con l’ipotesi di omogeneità è alla base delle nostre teorie sull’universo.
Ma non solo. Effettuare misure sul CMB ha grande importanza anche per la teoria dell’inflazione.
Molto brevemente, la teoria dell’inflazione prevede che l’universo abbia subito una fase di espansione accelerata grazie alla quale tutte le parti dell’universo sono potute entrare in contatto tra loro così che, appunto, possiamo ottenere l’universo omogeneo e isotropo. Inoltre la teoria dell’inflazione prevede anche le piccole fluttuazioni che osserviamo nel CMB. Inoltre l’inflazione prevede anche che queste fluttuazioni siano distribuite in maniera Gaussiana, esattamente come sono distribuite le altezze di una popolazione di persone.

Terza questione: cosa ha provato a fare Planck?
Il satellite dell’ESA nel corso degli ultimi anni ha acquisito dati riguardo il CMB. L’obiettivo era di fornire una mappa del CMB su tutto il cielo e inoltre misurare con una precisione migliore dei suoi predecessori (satelliti COBE, WMAP) le fluttuazioni piccolissime di cui abbiamo parlato sopra.

Dunque: quali sono i risultati?
Probabilmente il risultato principale è la conferma del modello standard della cosmologia. Ovvero isotropia osservata direttamente e soprattutto sembra essere confermato che la distribuzione delle fluttuazioni sia Gaussiana. Questo comporta che tra i tanti modelli di inflazione proposti nel corso degli ultimi venti anni alla fine il modello più probabile sembra essere quello base da cui poi si sono sviluppati gli altri.
I dati forniti da Planck sulle piccole scale dell’universo sono in accordo in maniera pressoché perfetta con il modello standard. Però i dati su larga scala sono stati trovati essere più bassi di quelli previsti dal modello e non si capisce perché si misura ciò (guardate la figura proprio qui sotto).

Dati di Planck in accordo con il modello standard tranne che grandi scale. (Crediti: ESA)

Inoltre c’è un’altra cosa. In pratica le fluttuazioni di cui abbiamo parlato finora misurano la temperatura (che è associata alla lunghezza d’onda dei fotoni) del CMB. Come abbiamo già detto queste fluttuazioni sono nate dall’impronta lasciata ai tempi dell’inflazione e sono dell’ordine di una parte su centomila rispetto alla temperatura media del CMB (che è di circa tre gradi sopra lo zero assoluto).
Ora dai dati di Planck si osserva che esiste una grossa regione più fredda della media e inoltre che, se tagliamo la mappa in due parti Nord-Sud, si scopre che le due parti non sono uguali (statisticamente, ovviamente), in contrasto con quanto ci si aspetta dall’omogeneità e isotropia del modello standard.
Queste due caratteristiche erano state misurate anche da WMAP ma si pensava fossero errori associati agli strumenti di misura. Ora con Planck si sono ottenute misurazioni tali da escludere errori di misura e quindi i cosmologi hanno adesso altre gatte da pelare a quanto pare.

La mappa del CMB trovata da Planck (Fonte: ESA)

Infine i numeri. Come abbiamo detto Planck ha confermato il modello standard cosmologico ma ha apportato qualche ritocco. Per esempio la costante di Hubble ha un valore più basso rispetto alle precedenti misure; inoltre Planck indica una leggera presenza di più materia oscura (26.8%) e materia ordinaria (4.9% invece del precedente 4%) di cui sono fatte le stelle, le galassie e soprattutto noi.
Il tutto a discapito dell’energia oscura che ora si attesta al 68.3%. Un resoconto più dettagliato è nella figura qui sotto.

Contenuto dell’universo stimato prima e dopo l’analisi di Planck. (Crediti: ESA)

Insomma, oggi è stato un giorno importantissimo per la cosmologia. Un nuovo punto di partenza per cercare di capire come è fatto l’universo e come funziona. Con alcune risposte ma, come al solito, con ancora più domande di ieri.

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