Planck riscrive l’età oscura dell’Universo

Planck riscrive l’età oscura dell’Universo

Presentate in anteprima mondiale, le mappe della polarizzazione del fondo cosmico a microonde ottenute dal telescopio spaziale Planck confermano il modello standard dell’universo, ridimensionando le incongruenze fra modelli di derivazione astrofisica e modelli di derivazione cosmologica.

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Il telescopio spaziale Planck dell’ESA. Lanciato il 14 maggio 2009 e ormai spento, aveva come obiettivo misurare con elevata accuratezza la radiazione cosmica di fondo.|ESA E PLANCK COLLABORATION

Quando si sono accese le prime stelle? La materia oscura è andata incontro a un processo di annichilazione, processo che potrebbe aver lasciato tracce nella radiazione cosmica di fondo (CMB)?

Sono, questi, alcuni fra i tanti interrogativi irrisolti della cosmologia che le mappe in polarizzazione di Planck, il satellite dell’Agenzia Spaziale Europea per lo studio della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBCosmic Microwave Background), permettono da oggi d’iniziare ad aggredire in modo nuovo e promettente.

Risultati molto attesi da tutta la comunità scientifica, quelli racchiusi nelle mappe di Planck, sui quali si stanno confrontando gli oltre duecento scienziati provenienti da tutto il mondo a convegno questa settimana – dall’1 al 5 dicembre – a Ferrara. Risultati ancorapreliminari e non pubblicati, ma che già lasciano intravedere una ricostruzione dell’età oscura dell’universo in grado di smussare alcuni fra gli attriti fino a ora irrisolti tra il punto di vista dell’astrofisica e quello della cosmologia. Vediamo qualche anticipazione.

UNIVERSO SENZA STELLE. L’età oscura raccontata nelle nuove mappe di Planck è oscura in senso letterale: corrisponde al periodo buio che precede l’accensione delle prime stelle. Una lunga epoca che ha inizio circa 380 mila anni dopo il Big Bang, quando l’universo – con la formazione dei primi atomi d’idrogeno – divenne trasparente, permettendo così alla CMB d’attraversarlo e di giungere fino a noi, e che termina con la cosiddetta epoca di reionizzazione: ovvero la transizione all’epoca, in cui l’idrogeno non condensato in galassie è quasi completamente ionizzato. Transizione che si è soliti far coincidere, appunto, con l’epoca di formazione delle prime stelle, e sulla cui collocazione temporale le osservazioni astrofisiche – come quelle degli spettri dei quasar più lontani – non trovano corrispondenza nei risultati cosmologici ottenuti dal satellite WMAP della NASA.

La mappa della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo elaborata nel 2014 dalla collaborazione Planck. Le linee indicano la direzione di polarizzazione, la scala di colori fa riferimento alla sua ampiezza (l’intensità aumenta procedendo dal chiaro allo scuro). | ESA E PLANCK COLLABORATION

SORGENTI ESOTICHE DI ENERGIA. Quand’è stato, dunque, che la luce delle stelle ha iniziato a fendere il buio dell’età oscura? «Il problema non è quando sono nate le prime stelle», precisa Gianfranco De Zotti, professore a contratto alla SISSA (Trieste) e associato all’INAF-Osservatorio Astronomico di Padova, «ma qual è la sorgente d’energia responsabile della reionizzazione. Il risultato di WMAP implica che questa transizione dev’essere avvenuta in un’epoca remota, quando l’età dell’universo era meno di mezzo miliardo di anni. Secondo le attuali conoscenze, a quest’epoca le galassie non erano in grado di produrre la transizione. Per spiegarla, quindi, si doveva ricorrere ad altre sorgenti di energia, introdotte ad hoc. I nuovi risultati di Planck indicano invece che la transizione può essere avvenuta parecchie centinaia di milioni di anni più tardi, e che può essere spiegata dall’emissione delle galassie. Questo configura uno scenario in cui le informazioni che vengono dalla cosmologia si raccordano elegantemente con quelle che vengono dall’astrofisica, rimuovendo (anche se non escludendo) la necessità di sorgenti esotiche di energia.»

DOV’È LA MATERIA OSCURA? I nuovi dati di Planck hanno poi qualcosa da dire anche riguardo alla materia oscura, e in particolare alla possibilità che le particelle di materia oscura possano annichilarsi tra loro. «Si tratta di un processo di annichilazione predetto da molti modelli teorici», spiega Silvia Galli, ricercatrice postdoc presso l’Institut d’Astrophysique di Parigi, «e del quale si potrebbero trovare i segni nella CMB. Ebbene, i dati in polarizzazione di Planck permettono di porre vincoli circa quattro volte più stringenti, rispetto ai precedenti esperimenti cosmologici, sulla possibilità che questo fenomeno avvenga, permettendoci di gettare nuova luce sulla natura di questa misteriosa componente dell’universo».

«È un fatto rimarchevole che la polarizzazione di Planck sia, in generale, ben compatibile con i risultati forniti dall’intensità della radiazione di fondo», nota Paolo Natoli, professore dell’Università di Ferrara e senior scientist di ASI Science Data Center, «risultati che sono oggi ancora più accurati rispetto a quelli della prima mappa, presentata del 2013. Per esempio, il numero delle famiglie di neutrini “viste” da Planck è oggi ben compatibile con il valore del modello standard della fisica delle particelle, che è pari a tre. Inoltre, Planck pone dei limiti notevoli sulla massa dei neutrini: già nel 2013 questi limiti erano già un fattore due migliori di quanto si possa fare con gli esperimenti terrestri, con Planck 2014 siamo arrivati ad un fattore tre.»

DA DOVE ARRIVANO I NUOVI DATI? I nuovi risultati di Planck derivano principalmente dalle mappe della polarizzazione: una proprietà (come la lunghezza d’onda, o l’ampiezza) della radiazione elettromagnetica molto difficile da misurare nella CMB, ma cruciale per ricostruirne la storia, l’ambiente dal quale ha avuto origine e quello che si è trovata ad attraversare nel corso del suo lungo viaggio fino a noi, durato circa 13.8 miliardi di anni. Lo stato di polarizzazione della CMB cambia se essa incontra elettroni liberi lungo il suo percorso, quindi la sua misura fornisce informazioni sulla condizione, neutra o ionizzata, della materia che attraversa.

«Grazie al debole segnale contenuto nelle mappe in polarizzazione di Planck, stiamo finalmente iniziando a ricomporre l’intero puzzle della storia dell’universo, dalle fluttuazioni primordiali alla fine dell’età oscura. Questo senza più essere costretti a ricorrere a “tasselli esotici”, estranei al modello standard della cosmologia», sottolinea Reno Mandolesi, professore a contratto all’Università di Ferrara e associato INAF presso lo IASF di Bologna, nonché responsabile di uno dei due strumenti a bordo del satellite, il Low Frequency Instrument (LFI), finanziato dall’ASI e realizzato in gran parte in Italia. «I risultati presentati questa settimana a Ferrara verranno pubblicati entro la fine dell’anno, dunque fra poche settimane. All’esito di un lavoro lungo ed estremamente complesso, questo convegno è un’occasione preziosa di confronto con il resto della comunità scientifica mondiale. Per noi della collaborazione Planck, Ferrara rappresenta la continuazione di una straordinaria avventura, durata più venti anni. Un’avventura che ha messo – e ancora metterà, visto che abbiamo in programma un ulteriore appuntamento nel 2015 – a disposizione del mondo intero una quantità straordinaria di dati e informazioni.»

Il contributo italiano alla missione Planck è stato fondamentale sia nella elaborazione e costruzione degli strumenti del telescopio, sia nell’analisi dei risultati delle sue osservazioni. | ESA E PLANCK COLLABORATION

Notizia a cura di Inaf e Asi

01 DICEMBRE 2014

Curiosità riguardo alla Specola Vaticana – Vatican Observatory

La Specola Vaticana – Vatican Observatory è già parte di altre collaborazioni scientifiche, ad esempio la sua sede negli Stati Uniti è ospitata presso lo Steward Observatory dell’Arizona State University a Tucson, con la quale collabora alla costruzione, insieme ad altre istituzioni accademiche nord-americane e di altri paesi di un telescopio di 27 metri il Giant Magellan Telescope (GMT) le cui 2 prime lenti sono pronte essendo già state costruite, e vengono al momento custodite nei fondi dello Stadio di football americano a Tucson. Le 2 lenti vengono fatte roteare su di una piattaforma girevole per assumere una forma circolare perfetta e risultare levigate al millimetro. La struttura finale dello strumento sarà costituita da 7 specchi primari di 8 metri di diametro ciascuno collegati tra loro con il metodo interferometrico, che andranno a creare una superficie riflettente di dimensioni gigantesche. Il telescopio una volta ultimato nel 2018 sarà lo strumento per la ricerca astronomica di maggiori dimensioni al mondo per almeno un decennio, e verrà collocato sul cerro di Las Campanas nelle Ande Cilene nel nord del paese latinoamericano. Questo è il luogo già operativo dove viene svolta ricerca astronomica ad alto livello nell’emisfero australe, ed ospita vari strumenti che indagano i cieli del sud. Questi telescopi sono di proprietà di università e istituzioni scientifiche nord-americane tra le quali vi sono Harvard e lo Smithsonian. Tra gli attuali strumenti operativi a Las Campanas vi è il predecessore del futuro (GMT) l’attuale Magellan Telescope formato da cupole distinte ospitanti 2 telescopi aventi specchio primario da 6,5 metri di diametro ciascuno. Per chiudere due curiosità, la prima è che il nome Las Campanas deriva dal fatto che il vento che soffia da quelle parti produce un suono simile a quello delle campane, la seconda che da questo sito astronomico cileno venne osservata per la prima volta la luce proveniente da 150 mila anni luce di distanza della supernova a noi più vicina dai tempi di Keplero, esplosa nella Large Magellanic Cloud (LMG) una galassia satellite della Via Lattea a noi vicina. L’evento avvenne nel ormai lontano 1987 e la scoperta fù opera di un giovane astronomo canadese. Vogliamo segnalare infine un’altra collaborazione scientifica da parte dello Stato della Città del Vaticano – Vatican State con il CERN di Ginevra, dove si trova (LHC) l’acceleratore di particelle attualmente più grande al mondo. In questo contesto ginevrino la Santa Sede ha diritto ad un proprio scienziato come osservatore permanente.

Cordiali saluti