III. La radiazione di corpo nero (I parte)

Spettro di corpo nero della radiazione cosmica

 

Il primo spettro pubblicato della Cosmic Microwave Background Radiation misurata dal satellite COBE in direzione del Polo Galattico Nord (Mather et al. 1990). Entro le barre d’errore, lo spettro è esattamente quello di corpo nero ad una temperatura di radiazione  di T= 2.735 K con un errore di 0.06 K.

 

Purtroppo, l’assorbimento e l’emissione di radiazioni da parte delle molecole dell’atmosfera terrestre impedirono agli astronomi di avere conferma che l’intero spettro della radiazione era quello della radiazione termica. Rimaneva il sospetto che essa potesse essere stata prodotta da eventi violenti, avvenuti in qualche vicina regione dell’Universo, molto tempo dopo l’inizio dell’espansione. Questi dubbi potevano essere fugati solo osservando la radiazione da una regione situata al di sopra dell’atmosfera terrestre: la misurazione dell’intero spettro eseguita nello spazio fu il primo grande successo del satellite COBE (COsmic  Background Explorer). COBE lanciato sul finire del 1998, STORIA DI COBE, ha fornito una serie di dati a partire dal 1992. Installato a bordo c’era un radiometro differenziale a microonde che ha portato a precisare la temperatura della radiazione cosmica di fondo a: T= 2.726 circa.

Lo spettro ottenuto è stato il più perfetto spettro della radiazione di corpo nero mai osservato in natura, e una straordinaria conferma che l’Universo, in tempi remoti, era centinaia di migliaia di volte più caldo di quanto non sia ora. Infatti, solo in condizioni così eccezionali, la radiazione cosmica aveva potuto assumere con tanta precisione la forma della radiazione del corpo nero.

Un altro esperimento chiave, a conferma che la radiazione di fondo non aveva avuto un’origine recente in qualche regione dell’Universo a noi vicina, fu eseguito dagli U2, aerei nordamericani d’alta quota. Questi ex-aerei spia sono piccolissimi e dotati di una grande apertura alare, che fa di essi delle piattaforme molto stabili, particolarmente idonee a eseguire delle osservazioni. Per l’occasione, le loro apparecchiature, rivolte verso l’alto anziché verso il basso, rivelarono la presenza di una piccola, ma sistematica, variazione dell’intensità della radiazione diffusa in tutto il cielo: una variazione corrispondente a quella che era stata prevista qualora la radiazione avesse avuto origine nel lontano passato. Se la radiazione consiste in un mare di onde che si espandono uniformemente e che hanno avuto origine nei primissimi stadi dell’Universo, allora noi dovremmo muoverci attraverso quel mare. L’insieme del moto della Terra intorno al Sole, del moto del Sole intorno alla Via Lattea, del moto della Via Lattea in mezzo alle galassie sue vicine, e così via, significa che noi ci stiamo movendo attraverso la radiazione in una certa direzione. La radiazione risulterà più intensa quando guardiamo in quella direzione, e meno intensa a una distanza di 180 gradi, e mostrerà una caratteristica variazione proporzionale al coseno dell’angolo. E’ come quando si corre sotto un temporale: la pioggia ci bagnerà di più sul petto, mentre siamo più asciutti sulla schiena. Nel caso della radiazione di fondo a microonde, sono queste ultime che vengono spinte nella nostra direzione di movimento. L’osservazione ha rivelato una variazione perfettamente proporzionale al coseno dell’angolo, com’era stato previsto. Si parla di anisotropia di dipolo.

Cobe-cosmic-background-radiation

Mappe della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) registrate dal satellite COBE. La prima in alto mostra l’anisotropia di dipolo, quella centrale l’emissione galattica mentre l’ultima mostra esclusivamente il segnale della CMB.

In seguito, molti altri esperimenti confermarono la scoperta del “gran coseno del cielo”, come fu chiamato. Il Sole (insieme a tutto il Sistema Solare) e l’ammasso galattico di cui fa parte, si muovono attraverso il mare delle microonde cosmiche. La radiazione non può aver avuto origine locale, perché altrimenti avrebbe condiviso il nostro moto, e la variazione della sua intensità proporzionale al coseno non avrebbe potuto essere osservata.
Il nostro movimento attraverso la radiazione di fondo proveniente dal Big Bang non è la sola cosa che possa causare la variazione di intensità della radiazione stessa da una direzione all’altra. Se l’Universo si sta espandendo a velocità lievemente diverse in varie direzioni, la radiazione sarà meno intensa (più fredda) nelle direzioni in cui l’espansione è più rapida. Vi sono inoltre, grandi concentrazioni di materia e  regioni prive di materia, in alcune direzioni: anch’esse dovrebbero alterare l’intensità della radiazione proveniente da quelle direzioni. Fu la ricerca di queste variazioni che motivò la missione del satellite COBE: la loro scoperta, nel 1992, riempì i titoli dei giornali di tutto il mondo.

Continua…

Sabrina

Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.
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