Si pensa che lo sfondo cosmico a microonde (CMB) sia la radiazione residua del Big Bang, o il tempo in cui è iniziato luniverso. Secondo la teoria, quando è nato luniverso ha subito una rapida inflazione ed espansione. (Luniverso è ancora in espansione oggi e il tasso di espansione appare diverso a seconda di dove si guarda). La CMB rappresenta il calore residuo del Big Bang.
Non puoi vedere la CMB a occhio nudo, ma è ovunque nelluniverso. È invisibile a gli esseri umani perché fa così freddo, appena 2,725 gradi sopra lo zero assoluto (meno 459,67 gradi Fahrenheit o meno 273,15 gradi Celsius). Ciò significa che la sua radiazione è più visibile nella parte a microonde dello spettro elettromagnetico.
Origini e scoperta
Luniverso ha avuto inizio 13,8 miliardi di anni fa e il CMB risale a circa 400.000 anni dopo il Big Bang. Questo perché nelle prime fasi delluniverso, quando cerano solo cento -milionesimo delle dimensioni che è oggi, la sua temperatura era estrema: 273 milioni di gradi sopra lo zero assoluto, secondo la NASA.
Tutti gli atomi presenti in quel momento sono stati rapidamente frantumati in piccole particelle (protoni ed elettroni). La radiazione proveniente dalla CMB nei fotoni (particelle che rappresentano quanto di luce o altra radiazione) è stata dispersa dagli elettroni. “Così, i fotoni vagavano attraverso luniverso primordiale, proprio come la luce ottica vaga attraverso una fitta nebbia”, ha scritto la NASA.
Circa 380.000 anni dopo il Big Bang, luniverso era abbastanza freddo da potersi formare lidrogeno. Poiché i fotoni CMB sono a malapena influenzati dallinfluenza dellidrogeno, i fotoni viaggiano in linea retta. I cosmologi si riferiscono a una “superficie dellultima dispersione” quando i fotoni CMB hanno colpito la materia per lultima volta; dopo di che, luniverso era troppo grande. Quindi, quando mappiamo la CMB, guardiamo indietro nel tempo a 380.000 anni dopo il Big Bang, subito dopo che luniverso era opaco alle radiazioni.
Il cosmologo americano Ralph Apher ha predetto per primo il CMB nel 1948, quando stava lavorando con Robert Herman e George Gamow, secondo la NASA. Il team stava conducendo ricerche relative alla nucleosintesi del Big Bang, o alla produzione di elementi nelluniverso oltre al più leggero isotopo (tipo) di idrogeno. Questo tipo di idrogeno è stato creato molto presto nella storia delluniverso.
Ma la CMB è stata trovata per la prima volta per caso. Nel 1965, due ricercatori dei Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias e Robert Wilson) stavano creando un ricevitore radio e rimasero perplessi dal rumore che stava raccogliendo. Ben presto si resero conto che il rumore proveniva uniformemente da tutto il cielo. Allo stesso tempo, una squadra della Princeton University (guidata da Robert Dicke) stava cercando di trovare la CMB. La squadra di Dicke aveva vento dellesperimento Bell e si rese conto che il CMB era stato trovato.
Entrambi i team pubblicarono rapidamente articoli sullAstrophysical Journal nel 1965, con Penzias e Wilson che parlavano di ciò che avevano visto e il team di Dicke che spiegava cosa significa nel contesto delluniverso. (Più tardi, Penzias e Wilson hanno entrambi ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 1978).
Studiare in modo più dettagliato
Il CMB è utile agli scienziati perché ci aiuta a capire come si è formato luniverso primordiale. una temperatura uniforme con solo piccole fluttuazioni visibili con telescopi precisi. “Studiando queste fluttuazioni, i cosmologi possono conoscere lorigine delle galassie e le strutture su larga scala delle galassie e possono misurare i parametri di base della teoria del Big Bang”, ha scritto la NASA.
Mentre parti della CMB sono state mappate nei decenni successivi alla sua scoperta, la prima mappa del cielo completo basata sullo spazio proveniva dalla missione Cosmic Background Explorer (COBE) della NASA, che è stata lanciata nel 1989 e ha cessato operazioni scientifiche nel 1993. Questa “immagine infantile” delluniverso, come N ASA lo chiama, ha confermato le previsioni della teoria del Big Bang e ha anche mostrato accenni di struttura cosmica che non erano stati visti prima. Nel 2006, il Premio Nobel per la fisica è stato assegnato agli scienziati COBE John Mather presso il NASA Goddard Space Flight Center e George Smoot presso lUniversità della California, Berkeley.
Una mappa più dettagliata è arrivata nel 2003 per gentile concessione della Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), lanciata nel giugno 2001 e che ha smesso di collezionare scienze dati nel 2010. La prima immagine fissava letà delluniverso a 13,7 miliardi di anni (una misurazione da allora raffinata a 13,8 miliardi di anni) e ha anche rivelato una sorpresa: le stelle più vecchie hanno iniziato a brillare circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang, molto prima di previsto.
Gli scienziati hanno seguito questi risultati studiando le primissime fasi di inflazione delluniverso (nel trilionesimo di secondo dopo la formazione) e fornendo parametri più precisi sulla densità dellatomo, la grumosità delluniverso e altre proprietà delluniverso poco dopo che si è formato. Hanno anche visto una strana asimmetria nelle temperature medie in entrambi gli emisferi del cielo e un “punto freddo” più grande del previsto. Il team WMAP ha ricevuto il Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2018 per il proprio lavoro.
Nel 2013 sono stati rilasciati i dati del telescopio spaziale Planck dellAgenzia spaziale europea, che mostrava limmagine della CMB con la massima precisione mai vista. ha scoperto un altro mistero con queste informazioni: le fluttuazioni nella CMB su grandi scale angolari non corrispondevano alle previsioni. Planck ha anche confermato ciò che WMAP ha visto in termini di asimmetria e punto freddo. Rilascio dei dati finali di Planck nel 2018 (la missione è stata effettuata tra il 2009 e 2013) hanno mostrato ulteriori prove che la materia oscura e lenergia oscura – forze misteriose che sono probabilmente dietro laccelerazione delluniverso – sembrano esistere.
Altri sforzi di ricerca hanno tentato di esaminare diversi aspetti della CMB. Uno è determinare i tipi di polarizzazione chiamati E-mode (scoperti dallInterferometro a scala angolare in gradi basato sullAntartide nel 2002) e B-mode. Le modalità B possono essere prodotte dalla lente gravitazionale delle modalità E (questa lente è stata vista per la prima volta dal South Pole Telescope nel 2013) e dalle onde gravitazionali (che sono state osservate per la prima volta nel 2016 utilizzando lAdvanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, o LIGO). Nel 2014, si diceva che lo strumento BICEP2 basato sullAntartico avesse trovato le modalità B delle onde gravitazionali, ma ulteriori osservazioni (incluso il lavoro di Planck) hanno mostrato che questi risultati erano dovuti alla polvere cosmica.
A metà del 2018 , gli scienziati stanno ancora cercando il segnale che ha mostrato un breve periodo di rapida espansione delluniverso subito dopo il Big Bang. A quel tempo, luniverso si stava ingrandendo a una velocità maggiore della velocità della luce. Se ciò è accaduto, i ricercatori sospettano che ciò dovrebbe essere visibile nella CMB attraverso una forma di polarizzazione. Uno studio di quellanno ha suggerito che un bagliore di nanodiamanti crea una luce debole, ma distinguibile, che interferisce con le osservazioni cosmiche. Ora che si tiene conto di questo bagliore, indagini future potrebbero rimuoverlo per cercare meglio la debole polarizzazione nella CMB, hanno detto gli autori dello studio allepoca.