Timeline dell’universo
La radiazione cosmica di fondo (CMB, cosmic microwave background) permea il nostro universo fin da epoche remote: essa è stata rilasciata dal plasma primordiale alla cosiddetta epoca della ricombinazione avvenuta circa 380000 anni dopo il Big Bang, una fase molto giovane dell’evoluzione dell’universo la cui età si stima essere di 13.7 miliardi di anni.
Prima di questa emissione elettroni, protoni e fotoni erano in stretta interazione tra loro e costituivano un unico plasma primordiale: l’universo era opaco poiché la radiazione non era in grado di propagare liberamente, era intrappolata nel plasma stesso. A seguito però dell’espansione dell’universo, la temperatura del plasma diminuiva ed, ad un certo punto, le energie in gioco non erano sufficienti per rompere i legami tra elettroni e protoni che poterono così formare i primi atomi di idrogeno. L’universo divenne pertanto trasparente (non aveva più cariche elettriche libere capaci di interagire fortemente con i fotoni) e la radiazione venne rilasciata, appunto la CMB.
Si calcola che mediamente ora ci sono circa 400 fotoni di CMB per cm3: tali fotoni sono stati osservati per la prima volta da Penzias e Wilson nel 1964, osservazione che valse loro il premio Nobel nel 1978. Successivamente nel 1991 il satellite COBE della NASA dimostrò che tale radiazione seguiva un comportamento in frequenza esattamente come previsto dalla curva di corpo nero, provando così che l’universo aveva vissuto una fase primordiale molto diversa dall’attuale, in cui radiazione e materia erano in equilibrio tra loro. Inoltre COBE osservò per la prima volta l’esistenza di piccole deviazioni dalla temperatura media (T_0=2.7255 K) dell’ordine di 10-5 T_0. Queste deviazioni, dette anisotropie di CMB, dovute alla distribuzione non perfettamente isotropa del plasma primordiale, tracciano le condizioni iniziali da cui poi, per effetto gravitazionale, si sono formate le strutture su larga scala dell’universo. Per queste due osservazioni del satellite COBE, Mather e Smoot ricevettero il premio nobel nel 2006.
Mappa delle anisotropie di CMB misurata da Planck
Inoltre la CMB presenta una componente polarizzata linearmente al 5-10% circa, a causa dello scattering Thomson tra radiazione e elettroni nel plasma primordiale e per la fase di reionizzazione avvenuta invece nell’universo “recente”. Il satellite Planck ha misurato le anisotropie di temperatura con una precisione non superabile (si dice che che le osservazioni di Planck in temperatura sono limitata dalla cosmic variance). Pertanto il futuro della CMB è rappresentato proprio dalla componente polarizzazione. In particolare i prossimi esperimenti di CMB sono finalizzati a determinare i cosiddetti B della polarizzazione di CMB, capaci di tracciare la presenza di onde gravitazionali primordiali prodotte nella fase inflazionaria dell’universo.
Le anisotropie di temperatura e polarizzazione di CMB vengono tipicamente espanse in armoniche sferiche, le cui proprietà statistiche dipendono sia dalla fisica primordiale che dalla evoluzione dell’universo. Queste anisotropie sono Gaussiane, come previsto dalla teoria inflazionaria, e quindi tutta la loro informazione è contenuta nello spettro di potenza angolare che è l’oggetto statistico più importante, anche se non il solo, per confrontare teoria e osservazioni e quindi per poter estrarre vincoli sui modelli cosmologici.
Gruppo di ricerca
- Fabio Finelli
- Alessandro Gruppuso
- Reno Mandolesi (Associato Inaf)
- Lauro Moscardini (UNIBO, Associato Inaf)
- Daniela Paoletti
- Luca Valenziano
Attività di ricerca all’OAS
Ci occupiamo sia di teoria che di analisi dati per la CMB. Facciamo parte di COSMOS, una rete italiana formato da università ed enti di ricerca, finanziata dall’Agenzia Spaziale Italiana, che ha lo scopo di studiare la fisica dell’universo primordiale, principalmente tramite la CMB.
Siamo coinvolti in vari esperimenti per l’osservazione delle anisotropie di CMB come Planck, Litebird, LSPE.
Inoltre siamo parte della collaborazione Euclid per cui ci occupiamo di cross-correlazione tra survey di Galassie e mappe di anisotropie di CMB.
Di seguito alcune tematiche di cui ci occupiamo:
- Inflazione e Universo primordiale
- Polarizzazione della CMB
- Likelihood, estimatori e analisi dati
- Sinergie con struttura su larga scala
- Campi magnetici primordiali
- Gravità chirale e birifrangenza cosmica
- Anomalie della CMB