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 dellorigine dellUniverso. Egli partì dagli
atomi, così come aveva fatto Fred Hoyle, ipotizzando che lidrogeno, lelio 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 dellUniverso. Alpher arrivò alla conclusione
secondo cui se lUniverso primordiale fosse stato così caldo da sintetizzare gli elementi allora le
percentuali delle abbondanze relative allidrogeno e allelio 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 lipotesi in base alla quale se la
fase iniziale alla nascita dellUniverso 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 cera 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 allincertezza con la quale era stata
determinata allepoca 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 lUniverso 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 dellisotropia della radiazione stessa. Ma agli inizi degli anni 60, le previsioni di Alpher
ed Herman furono riscoperte da Yakov Zeldovich 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, dallaltro 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 leco della grande esplosione iniziale
dovuta al Big Bang e che aveva dato origine allUniverso, 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 quellepoca Penzias e Wilson, due ingegneri della compagnia
telefonica Bell Laboratories, erano impegnati a perfezionare il sistema di comunicazioni
satellitari nel New Jersey. Essi, utilizzando unantenna 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 donda di 7,35 centimetri che si originava al di fuori della Via Lattea e che
corrispondeva ad un eccesso di temperatura dantenna[30] di circa 3,5 gradi Kelvin. Dunque la
domanda era: cosera 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 allinterno dellantenna? 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, labbiamo 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 lidea di un Universo eterno. Nel 1965, sia Penzias e Wilson che il gruppo
di Dicke pubblicarono separatamente i risultati nellAstrophyisical Journal facendo crollare per sempre il modello cosmologico dello stato stazionario.
Tuttavia, linterpretazione 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 sullanalisi 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 leco 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 dellUniverso 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
Corrado Ruscica
eBook – LUniverso Infante
L’Era della Cosmologia di Precisione
Editore: Macro eBook
Data pubblicazione: Agosto 2013
Formato: Download (eBook) – Pag PDF 266 – EPUB 127 – eBook in Formato Elettronico PDF o EPUB – No carta
http://www.macrolibrarsi.it/ebooks/ebook-l-universo-infante.php?pn=1567
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