La radiazione cosmica e il modello cosmologico standard
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Corrado Ruscica - 01/01/2016
Durante gli anni ‘40, un astrofisico di origine ucraina di nome George Gamow, che fu un ammiratore della teoria di Georges Lemaître, affrontò il problema dell’origine dell’Universo. Egli partì dagli atomi, così come aveva fatto Fred Hoyle, ipotizzando che l’idrogeno, l’elio e tutti gli altri elementi si fossero formati nei primi 20 minuti, subito dopo il Big Bang, quando cioè le temperature erano migliaia di gradi superiori rispetto a quelle presenti nei nuclei delle stelle più calde. Gamow era, però, un uomo pieno di idee brillanti più che un bravo matematico. Di fatto, fu un suo studente, Ralph Alpher, che portò avanti le idee del suo professore formulandole in leggi matematiche per descrivere lo stato fisico iniziale dell’Universo. Alpher arrivò alla conclusione secondo cui se l’Universo primordiale fosse stato così caldo da sintetizzare gli elementi allora le percentuali delle abbondanze relative all’idrogeno e all’elio sarebbero state almeno dieci volte maggiori, così come era stato osservato.
Nel 1948, Alpher e il collega Robert Herman perfezionarono il modello di Lemaître che prevedeva la possibilità di misurare quel ‘calore residuo iniziale’, una forte evidenza a favore del modello del Big Bang. In altre parole, Gamow e i suoi studenti sostennero l’ipotesi in base alla quale se la fase iniziale alla nascita dell’Universo fosse stata incredibilmente calda, allora la ‘eco’ della grande ‘esplosione iniziale’, osservabile come residuo nella forma di una radiazione cosmica di fondo prodotta dal ‘bang’, sarebbe stata misurabile oggi a valori più bassi della temperatura. Sfortunatamente, nel 1949 non c’era ancora la tecnologia per costruire uno strumento che permettesse di misurare la temperatura della radiazione fossile. Tuttavia, essi calcolarono teoricamente le prime stime della temperatura della radiazione fossile ottenendo un valore di circa 5 gradi Kelvin anche se qualche anno dopo ricavarono un valore più elevato, attorno a 28 gradi Kelvin, probabilmente il risultato di una sovrastima dovuta all’incertezza con la quale era stata determinata all’epoca la costante di Hubble. Nonostante fossero state ottenute varie stime della temperatura dello spazio, esse presentavano quasi tutte delle incertezze. In realtà, si trattava di misure della temperatura effettiva dello spazio e non implicavano il fatto che l’Universo fosse riempito di uno spettro termico di corpo nero [28]. Inoltre, queste stime dipendevano dalla nostra posizione nella Via Lattea e quindi non tenevano conto dell’isotropia della radiazione stessa. Ma agli inizi degli anni ’60, le previsioni di Alpher ed Herman furono riscoperte da Yakov Zel’dovich e indipendentemente da Robert Dicke mentre la prima pubblicazione sulla radiazione cosmica di fondo, come fenomeno fisico misurabile, risale al 1964 e si deve a due astrofisici sovietici di nome A.G. Doroshkevich e Igor Novikov. Dunque, da un lato Gamow e i suoi studenti avevano in mano la teoria, le leggi matematiche, ma non disponevano degli strumenti adatti per effettuare gli esperimenti, dall’altro un gruppo di fisici di Princeton, guidati da Robert Dicke, tra cui David Wilkinson, erano a conoscenza del lavoro di Gamow e disponevano invece di un apparato rudimentale, anche se poco sensibile, per effettuare le misure.
La radiazione fossile prevista dal modello di Lemaître, ossia l’eco della grande esplosione iniziale dovuta al Big Bang e che aveva dato origine all’Universo, doveva essere là fuori e sarebbe stata misurata. Dicke, sostenitore della teoria di Lemaître, persuase i suoi colleghi a costruire un radiometro[29] al fine di misurare la temperatura dello spazio. Intanto, le notizie di questo esperimento circolavano tra gli scienziati e persino gli ingegneri americani Arno Penzias e Robert Wilson ne erano venuti a conoscenza. A quell’epoca Penzias e Wilson, due ingegneri della compagnia telefonica “Bell Laboratories”, erano impegnati a perfezionare il sistema di comunicazioni satellitari nel New Jersey. Essi, utilizzando un’antenna a tromba, cioè una specie di ricevitore di segnali radio basato sul principio del radiometro[29] di Dicke, notarono la presenza di un ‘rumore costante’ simile a quello su un canale che non trasmette. In altre parole, i due ingegneri avevano trovato qualcosa di anomalo, cioè la presenza di un disturbo radio che non doveva esserci. Essi, perciò, misurarono un segnale persistente avente una lunghezza d’onda di 7,35 centimetri che si originava al di fuori della Via Lattea e che corrispondeva ad un eccesso di temperatura d’antenna[30] di circa 3,5 gradi Kelvin. Dunque la domanda era: cos’era quel disturbo e, soprattutto, da dove proveniva? Si trattava, forse, di un segnale terrestre proveniente dalla vicina New York, o di un segnale proveniente da un aeroplano o, ancora, di un segnale dovuto agli escrementi degli uccelli depositati all’interno dell’antenna? In realtà, Penzias e Wilson notarono che quel rumore misterioso proveniva da ogni direzione del cielo, era ovunque. Dopo aver ricevuto una telefonata dai due ingegneri, Dicke esclamò una famosa frase: “Ragazzi, l’abbiamo trovata".
Insomma, Penzias e Wilson avevano trovato ciò che Dicke e collaboratori stavano cercando, ciò che Lemaître prima e Gamow e i suoi studenti dopo avevano previsto e cioè la prova sperimentale che eliminava definitivamente l’idea di un Universo eterno. Nel 1965, sia Penzias e Wilson che il gruppo di Dicke pubblicarono separatamente i risultati nell’Astrophyisical Journal facendo crollare per sempre il modello cosmologico dello stato stazionario.
Tuttavia, l’interpretazione della radiazione cosmica di fondo sfociò in un dibattito controverso dato che alcuni sostenitori del modello dello stato stazionario erano convinti che ciò che veniva misurato fosse il risultato della radiazione dispersa dalle galassie distanti. Basandosi sul modello dello stato stazionario e sull’analisi delle righe di assorbimento presenti negli spettri stellari, Andrew McKella aveva già sostenuto nel 1941 che la temperatura rotazionale[31] dello spazio interstellare doveva essere di circa 2 gradi Kelvin. Ad ogni modo, fu durante gli anni ’70 che crebbe il consenso sul fatto che la radiazione cosmica di fondo fosse effettivamente l’eco del Big Bang grazie al fatto che vennero realizzate una serie di misure su un ampio intervallo di frequenze che mostravano come lo spettro fosse effettivamente di tipo termico, ossia uno spettro di corpo nero, e che il modello dello stato stazionario non era in grado di spiegare.
Dunque, la presenza nello spazio della radiazione cosmica di fondo rendeva giustizia al modello del Big Bang grazie al quale oggi siamo in grado di descrivere i primi istanti di vita dell’Universo e di delineare la sua evoluzione successiva, cioè come si è espanso e si è raffreddato nel corso del tempo per dar luogo successivamente alla formazione delle prime strutture cosmiche. Nel 1978, Penzias e Wilson ricevettero il Premio Nobel per la Fisica grazie al loro contributo per la scoperta della radiazione fossile, che rappresenta oggi uno dei pilastri fondamentali del modello cosmologico standard.
Il brano è tratto dall'ebook: L'universo Infante di Corrado Ruscica
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