Planck ci regala la sua prima immagine dell'universo

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Il cielo a microonde visto da Planck

 
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La mappa di Planck con alcune sorgenti
e il piano galattico in evidenza 

 
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La mappa di Planck con alcuni risultati
scientifici in sovraimpressione

L’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha rilasciato al pubblico lo scorso 5 luglio la prima immagine a tutto cielo ottenuta dal satellite Planck. Si tratta di una carta della volta celeste in falsi colori che mostra per la prima volta a questa risoluzione l’emissione del cielo nella banda della radiazione elettromagnetica con frequenza compresa tra 30 e 857 GHz, ovvero dal millimetrico al lontano infrarosso.

Questa immagine è straordinaria per la quantità e qualità dei dettagli che rivela. Il cielo è dominato dall’emissione della nostra galassia, la Via Lattea, il cui piano principale (il “disco”) appare bianco nell’immagine (naturalmente, la scala di colori è del tutto arbitraria, non essendo i nostri occhi sensibili a queste lunghezze d’onda). La tenue “nebbia” filamentosa che riempie l’immagine in tutta una gamma di colori dal rosa al violetto è dovuta all’emissione delle varie componenti diffuse della Via Lattea, principalmente polvere interstellare e gas a diverse temperature. Questa è la materia prima da cui si formano le stelle. Si può notare anche l’emissione di galassie vicino alla nostra, come le nubi di Magellano e la galassia di Andromeda, e quella di alcune galassie lontane.

Sullo sfondo, rappresentate in colore rossiccio, le increspature dell’universo primordiale cercano di uscire dalla nebbia. Lo studio di quelle fluttuazioni è la principale ragione per la quale Planck è stato realizzato. Esse sono antiche quasi quanto l’universo, ed hanno viaggiato per quasi 14 miliardi di anni per portarci l’immagine del “fuoco primordiale” scaturito dal Big Bang.

Infatti, cercare nuove informazioni sull’origine e sull’evoluzione dell’universo è l’obiettivo principale del satellite Planck, lanciato nello spazio il 14 maggio 2009 dalla base di Kourou, nella Guyana francese. La sua orbita è a 1.5 milioni di Km dalla Terra, in direzione opposta al Sole, attorno al punto lagrangiano L2, un punto di equilibrio del campo gravitazionale del sistema Terra-Sole, ottimale per missioni di cosmologia. Il satellite Planck sta osservando l’universo primordiale. Le informazioni su tale epoca sono contenute nella radiazione di fondo a micronde (in inglese Cosmic Microwave Background, CMB), la radiazione fossile “emessa” 380.000 anni dopo il Big Bang che permea il nostro universo fin dalle sue epoche primordiali (da circa 13.7 miliardi di anni). La sua scoperta nel 1964 valse agli astronomi Arno A. Penzias e Robert W. Wilson il premio Nobel per la fisica 1978. L’universo primordiale era molto caldo e denso, e la radiazione e le particelle elementari costituivano un unico plasma, detto “minestrone” primordiale. Perciò l’universo era opaco e la radiazione non poteva diffondersi liberamente.

Con l’espansione e il raffreddamento dell’universo, gli elettroni e i primi nuclei si sono combinati per formare atomi (principalmente idrogeno ed elio). La radiazione è stata dunque lasciata libera di propagarsi nello spazio e l’universo è divenuto trasparente. La CMB dà perciò una visione dell’universo all’epoca della formazione degli atomi e porta direttamente con sé le informazioni di quel periodo primordiale. Ma non solo! Tiene memoria anche dei processi fisici nell’universo più prossimi al Big Bang e su quelli più recenti, “registrando” nel suo viaggio fino a noi le varie fasi successive della sua evoluzione in cui si formarono i primi oggetti cosmici, fino all’attuale fase di espansione accelerata verosimilmente dall’energia oscura.

Il satellite COBE della NASA (lanciato nel 1989) ha consentito di verificare che la CMB ha uno spettro ben descritto da quello di corpo nero, formalizzato dal fisico tedesco Max Planck, e di scoprire le sue anisotropie e valse a John C. Mather e George F. Smoot il premio Nobel per la fisica nel 2006. Nel 2000 la NASA ha lanciato il satellite WMAP (ancora in orbita) migliorando le misure di anisotropia di COBE e del pallone BOOMERANG. E’ ora la volta dell’ESA, con il satellite Planck, dedicato al grande fisico, che rappresenta la terza generazione di missioni spaziali finalizzate allo studio della CMB e sta aprendo una finestra sull’alba dei tempi, pemettendo in pochi anni di determinare, con una precisione mai raggiunta prima, i parametri cosmologici che descrivono le proprietà dell’Universo, quali la sua geometria e il suo contenuto di materia ed energia (allo stato attuale della conoscenza costituito al 96% da componenti ancora ignote, denominate materia oscura ed energia oscura perché non emettono luce). Inoltre potrà verificare la Teoria dell’Inflazione, lo scenario attualmente più condiviso dalla comunità scientifica per descrivere le primissime fasi dell’universo, e discrimininare fra le sue possibili varianti.

I due strumenti di Planck, realizzati da Consorzi internazionali di Istituti di ricerca e Università, sono posizionati al piano focale di un telescopio di 1.5 m di apertura: LFI (Low Frequency Instrument - Strumento a Bassa Frequenza, progettato e realizzato da un team guidato dall’italiano Nazzareno Mandolesi e finanziato per la parte italiana dall’ASI e dall’INAF) che opera a frequenze tra 30 GHz (1 cm di lunghezza d’onda) e 70 GHz (4.3 mm) e HFI (High Frequency Instrument - Strumento ad Alta Frequenza, ideato e realizzato sotto la guida del francese Jean-Loup Puget) che opera tra 100 GHz (3 mm) e 857 GHz (0.35 mm) con tecnologie bolometriche raffreddate a 100 mK. L’ampia copertura in frequenza, la risoluzione angolare (fino a 5 minuti d’arco) e la grande sensibilità rendono Planck un esperimento unico, in grado di osservare l’universo con una precisione eccezionale, mai raggiunta prima. Planck potrebbe addirittura scoprire i modi B (“magnetici”) delle parti polarizzate dell’anisotropia della CMB e quindi rivelare le onde gravitazionali primordiali previste dalle teorie inflazionarie. I risultati attesi da Planck potrebbero anche condurci verso una visione di universo con geometria molto complessa a più dimensioni o aprirci la strada verso scenari pre Big Bang o di multi-universi.

Il raggiungimento di questi cruciali obiettivi cosmologici richiederà di accumulare i dati dalle altre tre survey garantite a Planck e di analizzarli con estrema precisione. Ma già i dati della prima survey a tutto cielo ci danno una visione spettacolare della ricchissima informazione astrofisica prodotta da Planck.

ritratto di Paolo Natoli Paolo Natoli
Fisica, Università di Roma Tor Vergata

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