Big Bang: che cos’è la radiazione cosmica di fondo?
Uno spettro si aggira per l’Universo: è la radiazione cosmica di fondo, una fotografia del cosmo all’inizio della sua evoluzione.
Correva l’anno 1965, Arno Pienzas e Robert Woodrow Wilson avevano appena costruito un radiometro ai laboratori Bell di New Jersey. Il loro obiettivo era quello di fare radioastronomia, ossia di raccogliere e studiare i segnali radio provenienti dal cielo. Ma subito Pienzas e Wilson si resero conto che la loro antenna captava sempre un segnale leggermente più alto, un rumore di fondo che non riuscivano a spiegare.
Nel 1978 Pienzas e Wilson ricevettero il premio Nobel: quello che avevano scoperto confermava qualcosa di cui già da qualche anno si vociferava, la Radiazione Cosmica di Fondo (o Fondo Cosmico a Microonde, o anche solo CMB, Cosmic Microwave Background).
Nelle sue primissime fasi di vita l’Universo era denso e bollente. Estremamente denso e bollente. Era così denso che neanche la luce era in grado di attraversarlo. Le particelle di materia e antimateria inizialmente presenti si annichilivano tra di loro, producendo energia sotto forma di luce, di fotoni. Ma questi restavano intrappolati, appena provavano a viaggiare liberi subito venivano assorbiti da altre particelle. Allo stesso modo l’energia dei fotoni impediva agli elettroni e ai protoni di unirsi a formare atomi. Si dice che materia e energia fossero accoppiate, perché non erano libere l’una dall’altra.
Ma l’Universo si stava anche espandendo, dopo tutto da poco c’era stato un Big Bang. Mano mano che l’espansione procedeva l’Universo si diradava e raffreddava, diminuendo la densità e facendo sì che quell’intrappolamento della luce avvenisse sempre meno. Da un certo momento in poi, era avvenuto il disaccoppiamento, l’Universo si era così diradato da diventare trasparente ai fotoni. Erano finalmente liberi di vagare nell’Universo primordiale, di viaggiare liberi e raffreddarsi fino all’attuale temperatura di 2,725 K (circa -270°C). Allo stesso tempo le particelle erano libere di aggregarsi. Correva l’anno 380 000 dopo il Big Bang.
La CMB è quindi l’insieme di tali fotoni, che sono come una fotografia dell’Universo nei suoi primi momenti di vita e quindi una sorgente preziosissima per gli studi cosmologici. Non a caso in epoca spaziale sono stati lanciati ben tre satelliti, COBE, WMAP e Planck, per lo studio della Radiazione Cosmica di Fondo. Una mappa della CMB consente infatti di avere un’idea più chiara della struttura e della complessità dell’Universo primordiale e attuale.
Ciò che si può vedere in queste mappe sono le piccole differenze della temperatura della CMB tra i diversi punti del cielo, dette anisotropie della CMB (an-isotropia è quando una proprietà di qualcosa dipende dalla direzione in cui la si guarda). Più il colore è blu/azzurro, più la temperatura e quindi l’energia dei fotoni è alta. Più è rosso, più la temperatura è bassa. Parliamo di variazioni piccolissime, pari a un decimillesimo della temperatura media di 2,725 K, ma comunque esistenti.
Sono variazioni che indicano che a quel tempo da un punto all’altro dell’Universo ci doveva essere qualcosa di leggermente diverso. La storia comincia prima del disaccoppiamento tra materia ed energia. Quando materia e energia erano accoppiate, infatti, la forza di gravità delle particelle tendeva ad aggregare quel misto di particelle e fotoni. Contemporaneamente i fotoni tendevano a liberarsi, a generare una forza opposta a quella di gravità, una cosiddetta pressione di radiazione elettromagnetica.
La lotta tra queste due forze, la gravità e la pressione di radiazione, generava un ritmo continuo, un ciclo di espansione e compressione della materia-energia che popolava l’Universo primordiale. Questo ciclo si interruppe 380 000 anni dopo il Big Bang, quando appunto i fotoni si liberarono dalla morsa della materia e la materia si alleggerì dall’energia dei fotoni. Da quel momento la forza di gravità era libera di aggregare le particelle in atomi e i fotoni di vagare per l’Universo.
Se in punto dell’Universo l’interruzione del ciclo di espansione e compressione è avvenuta in un momento in cui la materia-energia era più compressa, la temperatura risultante nella CMB risulta essere leggermente più alta. Se invece è avvenuta in un momento in cui la materia-energia era più espansa, la temperatura risultante della CMB risulta leggermente più bassa.