La radiazione cosmica e il modello cosmologico standard
La scoperta della radiazione cosmica e le sue
implicazioni sull'origine dell'universo
di Corrado Ruscica - 23/08/2013
Durante gli anni ‘40, un astrofisico di origine ucraina
di nome George Gamow, che fu un ammiratore della teoria di Georges Lemaître,
affrontò il problema dell’origine dell’Universo. Egli partì dagli atomi, così
come aveva fatto Fred Hoyle, ipotizzando che l’idrogeno, l’elio e tutti gli
altri elementi si fossero formati nei primi 20 minuti, subito dopo il Big Bang,
quando cioè le temperature erano migliaia di gradi superiori rispetto a quelle
presenti nei nuclei delle stelle più calde. Gamow era, però, un uomo pieno di
idee brillanti più che un bravo matematico. Di fatto, fu un suo studente, Ralph
Alpher, che portò avanti le idee del suo professore formulandole in leggi
matematiche per descrivere lo stato fisico iniziale dell’Universo. Alpher
arrivò alla conclusione secondo cui se l’Universo primordiale fosse stato così
caldo da sintetizzare gli elementi allora le percentuali delle abbondanze
relative all’idrogeno e all’elio sarebbero state almeno dieci volte maggiori,
così come era stato osservato.
Nel 1948, Alpher e il collega Robert Herman
perfezionarono il modello di Lemaître che prevedeva la possibilità di misurare
quel ‘calore residuo iniziale’, una forte evidenza a favore del modello del Big
Bang. In altre parole, Gamow e i suoi studenti sostennero l’ipotesi in base
alla quale se la fase iniziale alla nascita dell’Universo fosse stata
incredibilmente calda, allora la ‘eco’ della grande ‘esplosione iniziale’,
osservabile come residuo nella forma di una radiazione cosmica di fondo
prodotta dal ‘bang’, sarebbe stata misurabile oggi a valori più bassi della
temperatura. Sfortunatamente, nel 1949 non c’era ancora la tecnologia per
costruire uno strumento che permettesse di misurare la temperatura della
radiazione fossile. Tuttavia, essi calcolarono teoricamente le prime stime
della temperatura della radiazione fossile ottenendo un valore di circa 5 gradi
Kelvin anche se qualche anno dopo ricavarono un valore più elevato, attorno a
28 gradi Kelvin, probabilmente il risultato di una sovrastima dovuta
all’incertezza con la quale era stata determinata all’epoca la costante di
Hubble. Nonostante fossero state
ottenute varie stime della temperatura dello spazio, esse presentavano quasi
tutte delle incertezze. In realtà, si trattava di misure della temperatura
effettiva dello spazio e non implicavano il fatto che l’Universo fosse riempito
di uno spettro termico di corpo nero [28].
Inoltre, queste stime dipendevano dalla nostra posizione
nella Via Lattea e quindi non tenevano conto dell’isotropia della radiazione
stessa. Ma agli inizi degli anni ’60, le previsioni di Alpher ed Herman furono
riscoperte da Yakov Zel’dovich e indipendentemente da Robert Dicke mentre la
prima pubblicazione sulla radiazione cosmica di fondo, come fenomeno fisico
misurabile, risale al 1964 e si deve a due astrofisici sovietici di nome A.G.
Doroshkevich e Igor Novikov. Dunque, da un lato Gamow e i suoi studenti avevano
in mano la teoria, le leggi matematiche, ma non disponevano degli strumenti
adatti per effettuare gli esperimenti, dall’altro un gruppo di fisici di
Princeton, guidati da Robert Dicke, tra cui David Wilkinson, erano a conoscenza
del lavoro di Gamow e disponevano invece di un apparato rudimentale, anche se
poco sensibile, per effettuare le misure.
La radiazione fossile prevista dal modello di Lemaître,
ossia l’eco della grande esplosione iniziale dovuta al Big Bang e che aveva
dato origine all’Universo, doveva essere là fuori e sarebbe stata misurata.
Dicke, sostenitore della teoria di Lemaître, persuase i suoi colleghi a
costruire un radiometro[29] al fine di misurare la temperatura dello spazio.
Intanto, le notizie di questo esperimento circolavano tra gli scienziati e
persino gli ingegneri americani Arno Penzias e Robert Wilson ne erano venuti a
conoscenza. A quell’epoca Penzias e Wilson, due ingegneri della compagnia
telefonica “Bell Laboratories”, erano impegnati a perfezionare il sistema di
comunicazioni satellitari nel New Jersey. Essi, utilizzando un’antenna a
tromba, cioè una specie di ricevitore di segnali radio basato sul principio del
radiometro[29] di Dicke, notarono la presenza di un ‘rumore costante’ simile a
quello su un canale che non trasmette.
In altre parole, i due ingegneri avevano trovato qualcosa
di anomalo, cioè la presenza di un disturbo radio che non doveva esserci. Essi,
perciò, misurarono un segnale persistente avente una lunghezza d’onda di 7,35
centimetri che si originava al di fuori della Via Lattea e che corrispondeva ad
un eccesso di temperatura d’antenna[30] di circa 3,5 gradi Kelvin. Dunque la
domanda era: cos’era quel disturbo e, soprattutto, da dove proveniva? Si
trattava, forse, di un segnale terrestre proveniente dalla vicina New York, o
di un segnale proveniente da un aeroplano o, ancora, di un segnale dovuto agli
escrementi degli uccelli depositati all’interno dell’antenna? In realtà,
Penzias e Wilson notarono che quel rumore misterioso proveniva da ogni
direzione del cielo, era ovunque. Dopo aver ricevuto una telefonata dai due
ingegneri, Dicke esclamò una famosa frase: “Ragazzi, l’abbiamo trovata".
Insomma, Penzias e Wilson avevano trovato ciò che Dicke e
collaboratori stavano cercando, ciò che Lemaître prima e Gamow e i suoi
studenti dopo avevano previsto e cioè la prova sperimentale che eliminava
definitivamente l’idea di un Universo eterno. Nel 1965, sia Penzias e Wilson
che il gruppo di Dicke pubblicarono separatamente i risultati nell’Astrophyisical
Journal facendo crollare per sempre il modello cosmologico dello stato
stazionario.
Tuttavia, l’interpretazione della radiazione cosmica di
fondo sfociò in un dibattito controverso dato che alcuni sostenitori del
modello dello stato stazionario erano convinti che ciò che veniva misurato
fosse il risultato della radiazione dispersa dalle galassie distanti. Basandosi
sul modello dello stato stazionario e sull’analisi delle righe di assorbimento
presenti negli spettri stellari, Andrew McKella aveva già sostenuto nel 1941
che la temperatura rotazionale[31] dello spazio interstellare doveva essere di
circa 2 gradi Kelvin. Ad ogni modo, fu durante gli anni ’70 che crebbe il
consenso sul fatto che la radiazione cosmica di fondo fosse effettivamente l’eco
del Big Bang grazie al fatto che vennero realizzate una serie di misure su un
ampio intervallo di frequenze che mostravano come lo spettro fosse
effettivamente di tipo termico, ossia uno spettro di corpo nero, e che il
modello dello stato stazionario non era in grado di spiegare.
Dunque, la presenza nello spazio della radiazione cosmica
di fondo rendeva giustizia al modello del Big Bang grazie al quale oggi siamo
in grado di descrivere i primi istanti di vita dell’Universo e di delineare la
sua evoluzione successiva, cioè come si è espanso e si è raffreddato nel corso
del tempo per dar luogo successivamente alla formazione delle prime strutture
cosmiche. Nel 1978, Penzias e Wilson ricevettero il Premio Nobel per la Fisica
grazie al loro contributo per la scoperta della radiazione fossile, che
rappresenta oggi uno dei pilastri fondamentali del modello cosmologico
standard.
Il brano è tratto dall'ebook: L'universo Infante di
Corrado Ruscica >> http://goo.gl/fWTFyZ
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