Radiazione cosmica di fondo

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Mappa della radiazione cosmica di fondo, dopo la rimozione dei contributi dovuti a sorgenti locali e dell'anisotropia di dipolo

Per radiazione cosmica di fondo (abbreviata in CBR, da Cosmic background radiation) si intende generalmente la radiazione omogenea ed isotropa che nella cosmologia moderna è ritenuta essere il residuo termico del big bang. Questa radiazione, scoperta nel 1964 da Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson (che per questo motivo ricevettero il Premio Nobel per la Fisica) è più propriamente nota come radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBR, da Cosmic microwave background radiation).

Tale radiazione è caratterizzata da un perfetto spettro di corpo nero a una temperatura di 2,726 kelvin e dalla propria estrema uniformità su tutto il cielo: il satellite COBE (1992) e altri esperimenti più recenti (ad esempio l'esperimento Boomerang nel 2000 ed il satellite WMAP) hanno mostrato che, le emissioni di parti diverse del cielo differiscono solamente dello 0.0001-0.001%.

Misure di questa precisione sono difficili da effettuare, sia perché è difficile avere uno strumento affidabile entro un errore di poche parti per milione, sia perché il segnale viene "disturbato" da una serie di sorgenti locali (come la nostra galassia) la cui emissione si somma a quella di fondo, sia per via di alcuni effetti come l'anisotropia di dipolo dovuta al fatto che la nostra galassia è in moto rispetto al sistema di riferimento fissato dalla radiazione stessa (la temperatura di una regione verso la quale ci stiamo muovendo ci appare più elevata di quella di una regione dalla quale ci stiamo allontanando). Fino a pochi anni fa le difficoltà strumentali erano di gran lunga il problema maggiore, ma i miglioramenti tecnologici stanno mettendo in luce i limiti delle tecniche con cui si "sottraggono" dal segnale i contributi dovuti alle sorgenti locali (dette di foreground).

Evoluzione dello studio sulla radiazione cosmica di fondo; la fascia orizzontale al centro delle varie immagini è dovuta all'emissione della nostra galassia, che nelle osservazioni si somma alla radiazione di fondo.

Per quanto i dettagli siano oggetto di attente osservazioni in quanto costituiscono un test importante per tutti i modelli cosmologici attuali, l'esistenza della radiazione di fondo è una conseguenza naturale degli scenari che prevedono un big bang, tanto che la sua esistenza era stata prevista già negli anni '40 del XX secolo da George Gamow, Ralph Alpher e Robert Hermann.

Dal punto di vista storico, la scoperta del fondo a microonde (unita ad altre osservazioni dell'epoca riguardo ai quasar) ha segnato la fine della controversia fra i sostenitori del big bang e quelli della teoria cosmologica dello stato stazionario (in particolare Fred Hoyle), mentre ha fornito il punto di partenza per tutte le teorie di formazione delle galassie e più tardi per lo sviluppo dei modelli inflazionari.

Dopo le osservazioni di COBE le ricerche si sono intensificate, portando a risultati interessanti sulle onde sonore che permeavano l'Universo primordiale, prima dell'emissione della radiazione di fondo. L'analisi dello spettro angolare rivela molte informazioni sulla storia dell'universo quando era ancora opaco alla radiazione, ma non alle onde di compressione. La missione Planck dell'ESA, prevista per il 2007, mira ad aumentare la risoluzione angolare e la sensibilità delle mappe disponibili, per indagare le strutture di grandezza inferiore a 0.1 gradi.

[modifica] Anisotropie della CMBR

Pur essendo quasi isotropa, la radiazione cosmica di fondo a microonde presenta, comunque, delle piccole anisotropie divise in primarie e secondarie:

• le anisotropie primarie sono quelle che si originano alla superficie di ultimo scattering, a z≈1089; i fotoni quindi mantengono le informazioni sulle condizioni in cui è avvenuta la diffusione;
• le anisotropie secondarie sono quelle che si originano durante il cammino dei fotoni dalla superficie di ultimo scattering a noi esono le seguenti:
  • early ISW
  • late ISW
  • effetto Rees-Sciama
  • effetto Vishniac
  • gravitational Lensing
  • effetto Sunyaev-Zel'dovich

[modifica] Altre radiazioni di fondo

L'uso del termine radiazione cosmica di fondo per indicare il fondo a microonde è leggermente improprio in quanto esistono altre radiazioni cosmologiche di fondo (ovvero approssimativamente uniformi su tutto il cielo e che hanno origine a distanze cosmologiche) di origini diverse, generalmente osservabili a lunghezze d'onda diverse. Oltre alla radiazione di fondo a microonde esistono, infatti, anche una radiazione di fondo X, una radiazione di fondo infrarossa ed altre ancora.

Tuttavia, a differenza del fondo a microonde, si crede che tutti questi tipi di radiazione di fondo siano originati da una moltitudine di sorgenti che non siamo in grado di distinguere l'una dall'altra, piuttosto che da una radiazione diffusa che permea tutto il volume dell'Universo.