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I nuovi risultati di planck e bicep2: dall'inflazione alla polvere

A quasi un anno dall'annuncio della prima misura della traccia delle onde gravitazionali primordiali, avvenuta lo scorso marzo da parte di un gruppo di scienziati americani, arriva una sorpresa.

Ci sono voluti mesi di intenso lavoro e una collaborazione tra scienziati americani e europei, per capire che quel segnale, che avrebbe aperto le porte allo studio dell'inflazione cosmica, era in realtà fortemente contaminato dall'emissione della nostra stessa Galassia.
La radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Backgound, CMB) rappresenta la prima luce emessa dal nostro universo, circa 380.000 anni dopo il Big Bang. Lo studio di questa radiazione, la cui scoperta risale a cinquanta anni fa, ha permesso agli scienziati di capire le caratteristiche del nostro universo, fin nei più piccoli dettagli.
In particolare, grazie ai dati raccolti dal satellite ESA Planck, è stato possibile ricostruire, con una precisione senza precedenti, la mappa a tutto cielo di questa radiazione di fondo, e nuove e affascinanti scoperte riguardo a molte delle proprietà del nostro universo sono state annunciate negli ultimi due anni proprio grazie a questi dati.

Negli ultimi anni inoltre, astrofisici di tutto il mondo, stanno cercando di utilizzare proprio le misure del fondo cosmico, per ottenere informazioni sui primissimi istanti di vita del nostro universo. Secondo la teoria dell'inflazione cosmica infatti, per una piccolissima frazione di secondo dopo il Big Bang, l'universo è passato attraverso una fase di espansione accelerata. L'inflazione dovrebbe aver generato delle onde gravitazionali nell'universo primordiale, la cui impronta potrebbe essere osservabile oggi attraverso la misura della polarizzazione del fondo cosmico.

Il segnale della CMB è infatti linearmente polarizzato e il pattern di polarizzazione in cielo è scomponibile in due diversi modi, con differenti caratteristiche geometriche, chiamati modi-E e modi-B. Quest'ultimi conterrebbero proprio la traccia delle onde gravitazionali primordiali, e la loro osservazione ci porterebbe una prima importantissima prova sperimentale a supporto della teoria dell'inflazione.

La radiazione cosmica tuttavia, non è l'unica emissione astrofisica a presentare questi caratteristici modi-B. Anche l'emissione dovuta alle presenza di polveri all'interno della nostra Galassia presenta lo stesso pattern geometrico in polarizzazione, e separare la componente galattica di questo segnale da quella cosmologica è di fondamentale importanza per poter ottenere informazioni sull'universo primordiale. Una porzione di cielo osservata dal telescopio Planck. 

FIGURA Una porzione di cielo osservata dal telescopio Planck. La scala di colori rappresenta l'intensità dell'emissione da polveri galattiche, la linee invece indicano l'orientamento del campo magnetico della nostra Galassia e sono state ottenute osservando la direzione di polarizzazione della radiazione elettromagnetica rivelata. La regione tratteggiata rappresenta la porzione di cielo osservata dai telescopi BICEP2 e Keck.

 

Nel marzo 2014, un gruppo di scienziati americani ha pubblicato i risultati ottenuti dalle misurazioni effettuate su una piccola regione di cielo, grazie al telescopio BICEP2 situato al Polo Sud. Da tale osservazioni è stato possibile rivelare la presenza del segnale dei modi-B di polarizzazione, interpretato inizialmente proprio come la traccia delle onde gravitazionali primordiali, suscitando pertanto grande clamore e interesse in tutta la comunità scientifica internazionale.

Nei mesi successivi a tale annuncio, i dati del telescopio spaziale Planck, sono stati utilizzati con lo scopo di ottenere una verifica indipendente di tale scoperta. La strumentazione a bordo del satellite Planck, ha osservato l'intero cielo, coprendo anche la stessa regione osservata da BICEP2. Sebbene il telescopio Planck possieda una sensibilità più bassa rispetto a quella di BICEP2 su una regione di cielo così piccola, presenta però un altro grande vantaggio. A differenza di BICEP2, che ha osservato il cielo a una singola lunghezza d'onda, la strumentazione di Planck copre un ampio intervallo di frequenze (da 30 a 857 GHz), rendendo più facile la separazione delle componenti galattiche da quelle cosmologiche nel segnale osservato.

In particolare, proprio i dati a frequenza più alta di Planck, hanno permesso di scoprire che nella regione di cielo osservata da BICEP2 l'emissione dovuta alla presenza di polveri galattiche è molto più elevata di quanto inizialmente ipotizzato, insinuando il dubbio che la misura dei modi-B primordiali potesse essere stata in realtà contaminata dall'emissione della nostra stessa Galassia.

Un primo articolo contente i risultati ottenuti dai dati di Planck è stato pubblicato nel settembre 2014. Successivamente gli scienziati americani e europei delle due collaborazioni hanno unito le forze, mettendo insieme i dati dei due esperimenti, e aggiungendo ad essi anche quelli di un terzo telescopio, Keck. La correlazione tra i dati ad altissima sensibilità di BICEP2 e Keck, con quelli alle diverse frequenze di Planck, ha permesso di spingere l'analisi al massimo di quello che oggi e' possibile ottenere. E' stato confermato che Il segnale dei modi-B della polarizzazione osservato, e' dominato dall'emissione della polvere galattica e non generato dalle onde gravitazionali primordiali, come inizialmente supposto.

Il lavoro effettuato da questa collaborazione, che ha portato alla pubblicazione di un articolo, recentemente sottomesso alla rivista internazionale Physical Review Letters, ha però permesso di mettere un limite stringente sull'ampiezza del segnale dei modi-B primordiali, e gli sforzi da parte degli astrofisici di tutto il mondo per misurare questo segnale sono tutt'altro che finiti. Numerosi esperimenti, effettuati sia da terra che da pallone stratosferico, stanno infatti ancora prendendo dati e la speranza degli scienziati è di poter ottenere nei prossimi anni la prova sperimentale a supporto della teoria dell'inflazione tanto cercata.

Nicoletta Krachmalnicoff

Articolo sul New York Times

Comunicato Stampa ESA del 5/2/2015

 

03 febbraio 2015
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