Nuovi sorprendenti risultati, ottenuti grazie alla mappatura del fondo cosmico a microonde con il telescopio nel deserto di Atacama e pubblicati in pre-print su arXiv, potrebbero modificare le attuali conoscenze riguardo all'età e la velocità di espansione dell'universo.
Ne parliamo con Paola Marziani, astronoma ricercatrice all'Osservatorio astronomico di Padova (INAF).

Cos'è il fondo cosmico a microonde e perché è oggetto di studio per i cosmologi?

“Il fondo cosmico a microonde è, come lascia intuire il termine stesso, un'emissione diffusa in tutto il cielo nel dominio delle microonde che non ha un origine terrestre”, spiega Paola Marziani. “Questa radiazione (in breve, "CMB", acronimo dall'inglese di Cosmic Microwave Background) fu scoperta fortuitamente nel 1965 da Arno Penzias e Robert Wilson, due scienziati americani che cercavano di comunicare con dei satelliti per comunicazioni, a quell'epoca ancora prototipi sperimentali. Penzias e Wilson cercavano di eliminare ogni sorta di rumore di fondo per rivelare un segnale molto debole dal satellite. Per dirla in breve, riuscirono a eliminare interferenze dovute a trasmissioni radio, radar, e quant'altro, ma non un "rumore" che persisteva sempre, di giorno e di notte, senza che si potesse indovinare una direzione di provenienza. Con una serie di prove si resero conto che questa radiazione poteva essere soltanto di origine extra-galattica.

Nel 1965 si discuteva di due teorie cosmologiche principali. La prima era la cosiddetta teoria dell'Universo in uno stato stazionario, secondo cui lo spazio cosmico non avrebbe dovuto subire un'evoluzione, e sarebbe rimasto simile a se stesso, senza un inizio e una fine ben definiti. La seconda era la teoria del Big Bang, secondo la quale l'intero Universo come lo vediamo noi ora avrebbe avuto origine attraverso un processo di espansione da uno stato in cui l'Universo stesso era costituito da un plasma caldissimo”.

“La scoperta della radiazione di fondo fornì la seconda prova in favore della teoria del Big Bang (la prima era stata la scoperta della recessione cosmica delle galassie da parte di Edwin Hubble nel 1929): il CMB era la radiazione fossile dell'Universo primordiale.”, continua Paola Marziani. “Da allora la teoria del Big Bang è sempre stata (con alcune varianti) la teoria cosmologica accettata dalla grande maggioranza degli scienziati. E si capisce perché il CMB sia stato oggetto di studio dalla sua scoperta: è il segnale che ci proviene dall'Universo non molto dopo il Big Bang, la cui frequenza è stata ridotta di circa un fattore 1000 per effetto dell'espansione dell'Universo”.

A quali informazioni è possibile risalire analizzando le caratteristiche del CMB?

“Qui dobbiamo addentrarci in qualche dettaglio più tecnico. Il CMB si è formato in una epoca ben definita e molto speciale per l'Universo: l'epoca della ricombinazione, quando, in seguito alla diminuzione della temperatura, gli elementi (quasi esclusivamente idrogeno ed elio) ionizzati hanno potuto ricombinarsi, cioè riacquistare gli elettroni che formano un atomo in uno stato neutro, e l'Universo è diventato trasparente alla sua stessa radiazione.
All'epoca della ricombinazione, l'Universo poteva essere ancora pensato come una "palla" densa e calda, omogenea, la cui radiazione era emessa con uno spettro termico ad una temperatura di circa 3500 K (per confronto lo spettro della radiazione solare è termico ad una temperatura 6500 K). Però l'Universo non era perfettamente omogeneo. E nel corso dell'evoluzione, delle piccole disomogeneità si sono amplificate sino a dare origine alle strutture dell'Universo (galassie ed ammassi di galassie) come le vediamo ad epoche cosmiche recenti.

Il CMB stesso è, in prima approssimazione. terribilmente uniforme; tuttavia vi sono delle fluttuazioni piccolissime: il riflesso delle disomogeneità primordiali. Più tecnicamente, si parla di fluttuazioni di densità note come baryonic acoustic oscillations: acustiche perché l'interazione tra materia e radiazione ha dato origine a delle differenze di pressione che hanno portato alla propagazione di "creste" nella densità di materia”.

Cosa è stato possibile indagare grazie all'impiego del telescopio nel deserto di Atacama e quali importanti risultati sono stati riportati negli studi in pre-print su arXiv?

L'Atamaca Cosmology Telescope (un radio telescopio), sfruttando il bassissimo contenuto di vapore acqueo del deserto di Atacama, ha creato una mappa dell'emissione del fondo cosmico a microonde, analogamente a quanto fatto da telescopi spaziali negli ultimi 30 anni”, chiarisce Paola Marziani. “Cito solo l'ultima missione, Planck, che ha creato mappe di temperatura del CMB con una precisione di una parte su un milione, e che è all'origine del problema che vogliamo discutere.

L'ATC ha confermato i dati di Planck: le fluttuazioni del CMB implicherebbero un valore della costante di Hubble H_0 (il tasso di espansione dell'Universo all'epoca attuale) inferiore a quello ricavato da misure effettuate su indicatori di distanza nell'Universo "locale" o comunque a basso redshift. Bisogna precisare che le informazioni estratte dal CMB non permettono di misurare direttamente il valore di H_0: dalle misure sul fondo cosmico (in pratica un'analisi di Fourier per evidenziare la scala angolare delle fluttuazioni) si deduce H_0 attraverso un modello cosmologico”.

Foto: NASA https://wmap.gsfc.nasa.gov/media/101080/

Quali sono le attuali conoscenze per quanto riguarda l'età del nostro universo e la sua velocità di espansione e in che modo queste recenti scoperte possono metterle in discussione?

“Per quanto riguarda l'età dell'Universo, i dati della missione Planck forniscono un valore di circa 13.8 miliardi di anni”, spiega Paola Marziani.
“Per quanto riguarda la velocità di espansione, negli ultimi anni del 1900 abbiamo assistito ad un cambio di paradigma epocale: la scoperta dell'espansione accelerata dell'Universo. Una scoperta dovuta al fatto che alcune supernovae apparivano più deboli di quanto ci si aspettava sulla base di un modello cosmologico che non includeva un'espansione accelerata. Questa scoperta ha richiesto una ridefinizione dei principali costituenti dell'Universo.

Oltre alla densità di materia, che ha un effetto decelerante sull'espansione, in quanto la forza di gravità è attrattiva, si è reso necessario introdurre un'energia oscura che esercitasse un'azione repulsiva. Il modello cosmologico attualmente considerato "standard" (il cosidetto Lambda-cold dark matter, Lambda-CDM) implica che la maggior parte dell'energia dell'Universo risieda in questa "energia oscura".
Le recenti scoperte di Planck e dell'ACT hanno creato una "tensione" tra i valori di H_0: le misure tramite indicatori di distanza utilizzabili a distanze modeste su scala cosmica come le stelle variabili Cefeidi suggeriscono valori più grandi di 70 km/s/Mpc (~ 74 per fissare le idee, i valori esatti dipendono dai vari metodi impiegati), e circa 67 km/s/Mpc se si combinano i nuovi dati dell'ATC ed i dati di Planck. Il guaio è che le incertezze stimate sono di 1 o 2 km/s. I dati dell'ATC forniscono una conferma che la "tensione" nel valore di H_0 è probabilmente un problema reale”.

Atacama Cosmology Telescope. Foto: M. Devlin, University of Pennsylvania, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=54763068

Quali sono i maggiori interrogativi che restano ancora senza risposta e in che direzione, secondo la sua opinione, dovrebbe procedere la ricerca alla luce di questi risultati?

“Il primo è ovviamente quale sia l'origine della "tensione" tra le determinazioni della costante di Hubble. Non è chiara la soluzione. Ci potrebbe essere una risposta relativamente banale, ma anche un motivo più profondo: se il modello Lambda-CDM è corretto, dovrebbe essere in grado di riprodurre il valore del tasso di espansione dall'Universo all'epoca attuale. Se ciò non avviene, si aprono nuovi scenari.
A questo proposito vorrei aggiungere che dell'Universo ad alto redshift sappiamo veramente poco. C'è un grande vuoto in termini di redshift (e quindi di distanze ed epoche cosmiche) nei metodi utilizzati in cosmologia. Diversi gruppi stanno tentando di definire degli indicatori di distanza basati sui quasar e che siano utili a ricostruire la geometria e la dinamica dell'Universo ad epoche cosmiche tra 1 e 7 miliardi di anni dal Big Bang. Il che riempirebbe in parte il vuoto tra il CMB (circa 400,000 anni dopo il Big Bang) e altri metodi su cui si basa anche la determinazione di H_0 e che coinvolgono l'Universo "locale" ed epoche cosmiche più recenti”, conclude Paola Marziani.