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La firma delle onde gravitazionali nell'universo appena nato

La firma delle onde gravitazionali nell'universo appena nato.

È questo il risultato principale comunicato alle 15:45, ora italiana, di lunedì 17 marzo, da una collaborazione di varie università e Istituti di ricerca di USA e Canada (Caltech, JPL, e le università San Diego, Harvard, Boulder, Stanford, di British Columbia, Chicago, Minnesota, Toronto e Wales Cardiff). 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 Einstein.

Questo risultato è stato possibile grazie al telescopio criogenico a microonde BICEP2, installato al Polo Sud, 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 (150GHz). 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.

 

BICEP2

 

Il telescopio a microonde BICEP2, situato al Polo Sud

 

Negli ultimi due decenni una vasta gamma di esperimenti sono stati dedicati allo studio della prima luce dell’universo, il fondo cosmico di microonde. Si tratta di radiazione che ha viaggiato per 14 miliardi di anni e che ci porta un’immagine diretta dell’universo infuocato degli inizi, a una temperatura di 3000K e corrispondente a un redshift di circa 10^3. La mappa più profonda e dettagliata del fondo cosmico sull’intero cielo è stata recentemente rilasciata dal satellite Planck dell’ESA, e nuovi fondamentali dati dalla missione Planck 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) è la presenza di onde gravitazionali nell'universo al tempo dell'inflazione, un periodo di espansione esponenziale previsto dall'omonima teoria, ipotizzato a 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” (il fatto che la geometria è pressoché perfettamente euclidea), 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 fondo cosmico di microonde, le quali 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 sono le onde gravitazionali prodotte al momento dell’inflazione, piccole increspature 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.

 

B-mode signal

 

La mappa dei "Modi B" della polarizzazione del fondo cosmico di microonde, che rappresentano la segnatura delle onde gravitazionali nell'universo primordiale

 

Un risultato rivoluzionario, quindi? Come in ogni grande scoperta occorrono verifiche incrociate, con esperimenti e dati diversi prima di essere certi del risultato. I dati attesi dal satellite 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.

 

Marco Bersanelli e Aniello Mennella

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17 marzo 2014
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