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24 maggio 2014

Cinquant'anni

Il grafico della prima misura che mostra chiaramente la presenza della radiazione cosmica di fondo.
(Figura tratta dalla conferenza tenuta da Robert W. Wilson in occasione della consegna del premio Nobel per la fisica 1978.) 

Cinquant'anni fa, di questi tempi, Arno Penzias e Robert Wilson cominciavano a armeggiare con l'antenna di Holmdel e imboccavano la strada che li avrebbe portati a inciampare su una delle scoperte scientifiche più importanti di sempre. Non è ovvio stabilire una data precisa per la scoperta ma, se proprio si vuole, il primo grafico del rumore che solo molti mesi più tardi sarebbe stato identificato come il calore residuo del big bang è datato 20 maggio 1964.

La storia, lo sapete già, l'abbiamo raccontata in Cosmicomic. Per una bella coincidenza, proprio in questi giorni la traduzione del nostro fumetto esce anche in Spagna. Rispetto all'edizione italiana, l'editore spagnolo mi ha chiesto di aggiungere una nota finale che raccontasse a grandi linee cosa è successo in cosmologia negli ultimi cinquant'anni, e ho pensato di postarla anche qui. (Naturalmente, se volete un quadro più completo ci sono questo e questo.)

***

Scrivendo Cosmicomic ho scelto di non avventurarmi nel racconto degli sviluppi più recenti, e ancora in divenire, della cosmologia, e di limitarmi alla storia consolidata di come ci siamo convinti che c’è stato un big bang. La scoperta della radiazione cosmica di fondo da parte di Penzias e Wilson è uno spartiacque nella nostra comprensione dell’universo: c’è un prima e c’è un dopo, e io mi sono volutamente concentrato sul prima. Qualche parola su cosa è successo in seguito si trova accennata nelle ultime tavole, ma forse qui può essere il caso di dire qualcosa in più.

Subito dopo la scoperta di Penzias e Wilson, i cosmologi cominciarono a studiare la possibilità di investigare minuscole variazioni nell’intensità della radiazione cosmica di fondo. L’idea era che il gas incandescente che riempiva l’universo primordiale non poteva essere completamente uniforme: dovevano esistere delle piccole fluttuazioni di densità che, nel corso dei miliardi di anni successivi, la gravità doveva aver amplificato per formare le centinaia di miliardi di galassie che vediamo nell’universo attuale. Ci vollero diversi decenni per trovare le prove di questa ipotesi. All’inizio degli anni novanta, un satellite della NASA chiamato COBE trovò queste minuscole fluttuazioni impresse nella radiazione cosmica di fondo, fotografando i semi da cui si è formato tutto ciò che esiste nel cosmo.

Nel frattempo, erano successe altre cose. Negli anni settanta, cominciò a prendere piede tra i cosmologi la possibilità che nell’universo ci fosse molta più materia di quanta i telescopi potessero osservare direttamente. Questa materia, ribattezzata “oscura”, doveva essere completamente diversa dagli atomi di cui sono fatte le stelle (e noi stessi): non emetteva o assorbiva luce, e si poteva notare la sua presenza solo per via dell’interazione gravitazionale.

Mentre le evidenze a favore dell’esistenza della materia oscura si andavano accumulando, emerse un nuovo scenario teorico che descriveva gli istanti iniziali del cosmo. Nel 1980, un giovane fisico di nome Alan Guth ipotizzò che le prime frazioni di secondo dell’evoluzione dell’universo fossero state caratterizzate da un’espansione violenta e rapidissima, chiamata “inflazione”, che aveva interessato una regione di spazio di dimensioni subatomiche. Al termine dell’inflazione l’universo doveva essersi ritrovato estremamente uniforme, in media, e con una curvatura su grande scala trascurabile. Non solo: l’inflazione prevedeva che le fluttuazioni quantistiche casuali presenti nella microscopica regione iniziale fossero state amplificate trasformandosi nelle fluttuazioni di densità da cui iniziò la formazione delle galassie. Quando COBE trovò davvero la traccia di fluttuazioni simili nella radiazione cosmica di fondo, la cosa fu letta come un punto a favore dell’inflazione (e fruttò ai leader dell’esperimento, George Smoot e John Mather, un premio Nobel per la fisica nel 2006).

Altri esperimenti studiarono le variazioni di intensità della radiazione cosmica di fondo con maggiore dettaglio negli anni dopo COBE. A cavallo tra il ventesimo e il ventunesimo secolo, diversi esperimenti (tra cui Boomerang, MAXIMA, e il satellite della NASA WMAP) riuscirono a ricavare da queste indagini importanti informazioni sulla struttura dell’universo: mostrarono, ad esempio, che la sua curvatura su grande scala era trascurabile, proprio come prevedeva l’inflazione, e rafforzarono l’evidenza a favore dell’esistenza di componenti oscure.

A questo proposito, il mistero si stava allargando. Nel 1998, due diversi team di astronomi scoprirono che l’espansione dell’universo aveva iniziato ad accelerare in tempi recenti, attraverso un meccanismo che sembrava analogo a quello che aveva scatenato l’inflazione iniziale. Attualmente, la spiegazione più probabile del fenomeno è che esista, in aggiunta alla materia oscura, una forma di “energia oscura” in grado di guidare l’espansione accelerata: questo scenario ha aperto una serie di interrogativi teorici che non hanno ancora trovato soluzione, andandosi a sommare al problema irrisolto di chiarire la natura della materia oscura. (La scoperta dell’espansione accelerata dell’universo è stata intanto premiata con il Nobel per la fisica nel 2011.)

E veniamo al presente. Proprio in questi ultimi tempi, nel marzo del 2014, una nuova scoperta potrebbe aver aggiunto un ulteriore, importante elemento alla nostra comprensione del cosmo. Il team dell’esperimento BICEP (un radiotelescopio operante al Polo Sud) ha annunciato di aver trovato nella radiazione cosmica di fondo le tracce della presenza di onde gravitazionali (increspature nello spazio-tempo previste dalla teoria della relatività generale di Einstein) di origine primordiale. La loro presenza è un’altra delle previsioni dell’inflazione e, se sarà confermata in futuro, potrebbe essere l’evidenza decisiva a favore di questo scenario. Questo ci aprirebbe una finestra verso eventi avvenuti quando ciò che poi è diventato il nostro universo esisteva da appena 10 alla meno 35 secondi. Saremmo arrivati incredibilmente vicini a osservare l'origine di tutto e a capire come sono andate davvero le cose. Per quanto ne sappiamo oggi, non si può guardare ancora più indietro nel tempo: ma le domande non sono finite, e noi continuiamo a cercare le risposte.
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