L'Universo di Planck

Read time: 6 mins

Quando, il 14 maggio 2009, il vettore Ariane 5 portò in orbita il telescopio Planck i cosmologi tirarono un grosso sospiro di sollievo. Finalmente avrebbero potuto osservare l'Universo alla massima profondità possibile e con un'accuratezza che fino ad allora non era stato possibile avere. Il compito di Planck, infatti, era quello di catturare il segnale della cosiddetta radiazione del fondo cosmico, praticamente ciò che restava, dopo miliardi di anni di espansione e raffreddamento dell'Universo, della radiazione sprigionatasi nel Big Bang. Altre sonde si erano cimentate con notevole successo in quella rilevazione: ricordiamo nei primi anni Novanta il satellite COBE (Cosmic Background Explorer) e, all'alba del nuovo millennio, le avventure nei cieli dell'Antartide dei palloni di BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation ANd Geophysics), seguite a ruota dai trionfi della missione WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), l'osservatorio spaziale che ha dato ai cosmologi la possibilità di valutare concretamente quale potesse essere la ricetta dell'universo. Ebbene, Planck prometteva di spingere l'accuratezza delle rilevazioni del fondo a microonde a un livello senza precedenti, scattando la miglior fotografia mai realizzata di com'era l'Universo appena 380 mila anni dopo il Big Bang. Più indietro proprio non si può. Solamente quando quel miscuglio bollente composto dalla miriade di particelle elementari materializzatesi nel Big Bang cominciò a sintetizzare atomi di idrogeno, i fotoni - cioè la radiazione - poterono andarsene per i fatti loro. Prima proprio non ci riuscivano, coinvolti nei continui interscambi che avvinghiavano tra loro materia e radiazione. La fotografia di Planck (e degli altri telescopi che l'hanno precedtuto) fissa per sempre quel momento cruciale della storia dell'Universo: quella radiazione, che all'epoca in cui è stata prodotta aveva una temperatura di circa 2700 gradi, ora è mille volte più bassa, appena 2,7 gradi sopra lo zero assoluto.

Perchè è così importante osservare e studiare quella radiazione primordiale e perchè è fondamentale riuscirne a coglierne ogni minima disomogeneità? Perchè è proprio da quelle disomogeneità che si sono formate le strutture cosmiche, le galassie e gli ammassi di galassie che popolano l'Universo attuale. Più è dettagliata la fotografia di quell'Universo primordiale e più possiamo sperare di comprendere come si è potuto giungere all'apparente disomogeneità dell'Universo come lo vediamo oggi, con gigantesche isole composte da stelle e da gas fluttuanti in un oceano di vuoto infinito.
Secondo il modello cosmologico standard, quelle disomogeneità sarebbero sorte immediatamente dopo il Big Bang e si sarebbero estese a tutto quanto l'Universo nel corso di una fase di espansione estremamente accelerata, alla quale i cosmologi si riferiscono con il termine di “inflazione”. Poter studiare come sono distribuite quelle disomogeneità è dunque un ottimo modo per avere una conferma della tenuta del modello con l'inflazione.

Diciamo subito che dietro le quinte dei dati presentati a Parigi si nasconde un enorme lavoro di ripulitura delle osservazioni raccolte da Planck nei suoi primi 15 mesi di attività. La creazione di quelle mappe che stanno facendo il giro del mondo è costata anni di lavoro a centinaia di scienziati. Il software iper-specializzato che hanno prodotto, gestito da supercomputer di ultima generazione, ha permesso di scovare la radiazione fossile di fondo nascosta tra i dati e di renderla visibile. Era infatti indispensabile ripulire le osservazioni di Planck da ogni “contaminazione” indotta da tutti gli oggetti celesti che si frappongono tra noi e l'estremo limite della nostra possibilità osservativa. Tra queste contaminazioni citiamo per esempio le emissioni provenienti da singole sorgenti galattiche ed extragalattiche, l'emissione diffusa proveniente dal materiale interstellare della Via Lattea, come pure l'emissione termica diffusa dovuta alla polvere interstellare della nostra Galassia. Solo al termine di questo lungo processo è emersa in tutta la sua purezza la radiazione del fondo cosmico e si è finalmente potuto metterla a confronto con i modelli cosmologici.

ESA and the Planck Collaboration Ebbene, i dati presentati a Parigi confermano in modo eccellente il modello standard della cosmologia e la loro qualità permette di affinare la valutazione dei parametri che caratterizzano l'Universo. In altre parole, Planck ha permesso di rendere ancora più accurata la distribuzione quantitativa dei vari ingredienti che costituivano la ricetta dell'Universo proposta da WMAP. La materia per così dire “normale” - quella di cui sono fatte le stelle, le galassie, la Terra e anche noi stessi - ammonta a un misero 4,9% dell'intero Universo (prima di Planck il valore era 4,5%). Ritoccato al rialzo anche l'ammontare della cosiddetta materia oscura, che dal precedente valore di 22,7% passa a un più significativo 26,8% (quasi un quinto in più). Benchè sia oltre cinque volte più diffusa della materia ordinaria, dell'esistenza della materia oscura abbiamo solamente prove indirette, dovute alla rilevazione del suo influsso gravitazionale sulla materia “normale”. Un dato che la dice lunga sulla nostra reale conoscenza dell'Universo, conoscenza che naufraga miseramente allorchè andiamo a mettere in conto anche l'energia oscura. Di questa misteriosa forza, ritenuta responsabile dell'accelerazione nell'espansione dell'Universo, proprio non ne sappiamo nulla. I dati di Planck confermano la sua presenza, ma indicano anche che il suo contributo è minore di quanto si pensasse: 68,3% a fronte del precedente valore di 72,8%.

Molto importante, tra i vari aggiustamenti ai parametri dell'Universo ottenuti grazie al lavoro di Planck, quello relativo alla costante di Hubble. Questo parametro, introdotto per indicare la velocità alla quale le galassie si stanno reciprocamente allontanando, è il valore chiave per descrivere il ritmo con il quale l'Universo si sta espandendo. E' facile dunque comprendere come mai dalla costante di Hubble i cosmologi possano ricavare l'età dell'Universo. Poichè dai dati di Planck si ottiene un valore della costante di Hubble pari a 67,15 km/s/Mpc - inferiore a quello utilizzato finora in cosmologia - se ne deduce che l'Universo è un po' più vecchio di quanto si pensasse. Fatti i dovuti conti, l'età dell'Universo è dunque di 13,82 miliardi di anni, circa cento milioni di anni in più rispetto alle stime precedenti.

Oltre a questi aggiustamenti, però, Planck ha buttato sul tappeto anche tre spinose questioni con le quali dovranno confrontarsi i cosmologi. La prima riguarda l'andamento delle fluttuazioni della temperatura del fondo cosmico a microonde. A grandi scale angolari, infatti, le variazioni raccolte da Planck non si adattano al modello teorico: il loro segnale è, per così dire, meno intenso. Delle altre due anomalie già si sospettava qualcosa, dato che facevano capolino anche dalle osservazioni di WMAP, ma Planck ha sgombrato il campo dalla possibilità che si trattasse di anomalie strumentali. Una è la presenza del cosiddetto cold spot, una regione fredda nella distribuzione del fondo cosmico che si estende su una porzione di cielo molto più grande del previsto e l'altra è la presenza di una asimmetria nelle temperature medie registrate nei due emisferi opposti del cielo. La rilevazione di queste anomalie da parte di Planck scioglie ogni dubbio circa la loro realtà: non si tratta di errori di misura o di malfunzionamento strumentale, ci sono davvero! Il guaio è che queste anomalie rischiano di portarsi via uno dei capisaldi della cosmologia, quell'isotropia del cosmo che ha finora guidato il cammino dei cosmologi e che stabilisce che l'Universo debba essere grosso modo lo stesso in tutte le direzioni in cui lo osserviamo.
Un modo per spiegare le anomalie - si legge nel comunicato stampa INAF-ASI - è quello di supporre che l'Universo, a scale maggiori di quelle che riusciamo a vedere, non sia affatto uguale in tutte le direzioni. In un simile scenario, i raggi di luce della radiazione cosmica di fondo potrebbero aver attraversato l'Universo seguendo una strada più complicata di quanto immaginavamo, dando così origine agli schemi inconsueti che stiamo osservando.

L'Universo bambino che si delinea nelle fantastiche istantanee raccolte dal telescopio spaziale Planck, insomma, lancia nuove e cruciali sfide ai cosmologi e non sarà così semplice venirne a capo.

Per approfondimenti: da questa pagina ESA è possibile accedere a tutti i papers prodotti grazie ai dati del satellite Planck.

altri articoli

Giuseppe O. Longo: la scienza va a teatro

Giuseppe O. Longo durante il seminario 'Il Post Umano' al Festival Mimesis 2014.

Professore emerito di Teoria dell’informazione presso l’Università di Trieste, cibernetico, epistemologo, autore di illuminanti saggi sulla teoria dell’informazione, Giuseppe O. Longo è noto al grande pubblico soprattutto per la sua infaticabile attività di divulgatore scientifico, narratore, drammaturgo e anche attore.