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Il fondo cosmico delle microonde

Uno dei campi dove la ricerca italiana si è distinta e sta producendo proprio ora nuovi e straordinari risultati, è lo studio della radiazione di fondo nelle micro-onde (Cosmic Microwave Background, CMB), il residuo di luce fossile del Big Bang. Questa radiazione proveniente direttamente dall'Universo primordiale (circa 380,000 anni dopo il Big Bang), porta con sé lo stampo delle perturbazioni di densità che hanno poi dato origine alle strutture, mostrandone con il suo spettro di potenza, la relativa importanza alle diverse scale. Galassie, ammassi, superammassi hanno un loro corrispondente nelle fluttuazioni d’intensità nella CMB che osserviamo sul cielo a diverse scale, le cosiddette anisotropie. Proprio un esperimento a guida italiana, Boomerang, nel 2000 mostrò per la prima volta con precisione i picchi e le valli di questo spettro di potenza, fornendo una riprova straordinaria della teoria di formazione delle galassie basata sull’esistenza della materia oscura fredda e costruendo uno dei pilastri principali del modello cosmologico attuale. Facendo seguito alla missione americana WMAP, che ha esteso le misure di Boomerang all’intero cielo, il prossimo passo è rappresentato dall’esperimento italo-francese Planck, attualmente in volo con pieno successo. Planck sta già producendo immagini uniche, e nei prossimi anni si attendono risultati straordinari grazie alla sua sensibilità e risoluzione angolare, che permetteranno di spingersi a scale angolari ancora più piccole. Un obiettivo ambizioso di lungo termine di Planck è l’identificazione diretta del cosiddetto spettro dei “modi B” delle anisotropie di polarizzazione, associato alle perturbazioni tensoriali primordiali dell’Universo. Questa misura costituirebbe una conferma definitiva del modello inflazionario per l’Universo primordiale. Mappe di polarizzazione così profonde quali quelle necessarie per tali ricerche darebbero indicazioni dirette sulla scala di energia inflazionaria e verifiche sulla fisica ad altissima energia, ben al di là di quanto concepibile con gli acceleratori di particelle presenti o futuri. Ricordiamo che la teoria dell’Inflazione risolve elegantemente alcuni problemi dello scenario base del Big Bang, postulando una fase di espansione rapidissima (esponenziale) dell’Universo primordiale. Questa semplice idea giustifica due aspetti cruciali: 1) la geometria dell’Universo essenzialmente piatta; 2) l’estrema isotropia dell’Universo su regioni che, in assenza di una fase inflazionaria, non dovrebbero essere mai state in contatto causale. La piattezza e l’isotropia appaiono entrambe confermate dalle misure di CMB su tutte le scale angolari e dalle osservazioni della struttura su larga scala dell’Universo. Sebbene ciò non rappresenti una conferma diretta dello scenario inflazionario, certamente lo supporta. Lo studio dei primi istanti dell’Universo, durante la fase inflazionaria, ci conduce ai confini della nostra attuale comprensione, rendendo la cosmologia una disciplina capace di gettar luce su aspetti ancora ignoti di fisica fondamentale.

L’analisi e l’interpretazione accurata della CMB richiede una separazione estremamente precisa ed affidabile delle varie componenti spurie di radiazione prodotte dalla nostra Galassia o da sorgenti che i fotoni incontrano nel loro cammino prima di arrivare a noi. Questa ripulitura del segnale si ottiene tipicamente dalla combinazione con osservazioni nelle bande contigue (radio e Infrarosso), e dallo sviluppo di modelli astrofisici accurati delle diverse sorgenti di rumore diffuso. Queste linee di ricerca hanno nel contempo una loro specifica rilevanza, data l’importanza astrofisica e cosmologica che ricoprono varie classi di sorgenti extragalattiche che “sporcano” la CMB, come gli ammassi di galassie, responsabili dell’effetto Sunyaev-Zeldovich, o le sorgenti galattiche di emissione diffusa e discreta.

L’alto livello segnale/rumore richiesto per raggiungere gli obiettivi appena descritti, non appare raggiungibile nemmeno nel futuro prossimo, ma è estremamente importante per la comunità italiana realizzare passi intermedi in questa direzione finalizzati allo sviluppo della tecnologia necessaria. I progressi nella tecnologia appaiono promettenti per i rivelatori sia bolometrici sia coerenti, in particolare nel caso di grandi 'array' su piano focale. La validità delle tecnologie sperimentate in questa direzione sarà verificata dapprima tramite esperimenti da terra e da pallone, che avranno una buona chance di rivelare il modo B della polarizzazione per arrivare infine alla realizzazione di missioni spaziali, quali B-Pol o CMB-Pol proposte rispettivamente all’ESA e alla NASA, in grado di osservare l’intero cielo con grande sensibilità e controllo ottimale degli effetti sistematici.

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