IV. La radiazione di corpo nero (II parte)

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Sappiamo che il fondo di microonde è altamente isotropo, cioè, la sua intensità è, con grande precisione, la stessa in tutte le direzioni. Per comprendere le implicazioni dell’isotropia occorre tenere presente che la radiazione, prima di arrivare a noi, è stata diffusa dagli elettroni liberi presenti lungo la linea di vista. Si verifica allora una situazione analoga a quella che si ha in caso di nebbia molto fitta o di cielo molto nuvoloso: non riusciamo a vedere la sorgente di luce ma percepiamo una luminosità diffusa, conseguenza appunto della diffusione della luce del Sole da parte della materia interposta. La diversa luminosità osservata nelle diverse direzioni non è dovuta alla sorgente ma alle disomogeneità del mezzo interposto.
Allo stesso modo, l’isotropia della radiazione di fondo non ci dà informazioni dirette sulle primissime fasi della storia dell’Universo, in cui tale radiazione ha avuto origine, ma su epoche non anteriori alla “superficie di ultima diffusione” (o “superficie di ultimo scattering”), corrispondente al momento in cui i fotoni hanno avuto le ultime interazioni con la materia.
Secondo le idee correnti, il divorzio più importante nel nostro Universo si ebbe 380000 anni dopo il Big Bang. E fu quello tra radiazione e materia. Fino a quel momento, infatti, l’Universo neonato era un ammasso informe, con una densità che superava i 1,3 miliardi di volte quella attuale e con una temperatura di 4000 gradi K. E completamente opaco.
In tali condizioni, la materia non può essere stabile: questo mare di particelle ed energia è talmente caldo da impedire agli elettroni di legarsi ai protoni e ai nuclei di elementi leggeri per formare materia (neutra).
L’Universo si presentava, per così dire, come una nebbia incandescente e opaca, perché i fotoni rimbalzavano continuamente contro gli elettroni liberi, senza riuscire ad attraversare questo marasma di energia e materia. Col passare del tempo, l’Universo continuò la sua espansione. Espandendosi, cominciò a raffreddarsi: le particelle rallentarono e iniziarono ad aggregarsi per formare atomi veri e propri, a partire dal più semplice, quello di idrogeno. L’Universo divenne trasparente perché i fotoni riuscirono a filtrare tra un atomo e l’altro, un po’ come il Sole attraverso le foglie di un fitto bosco.
In questo momento, ciò che noi definiamo materia ed energia si separarono. L’energia residua, cioè la radiazione che non si era vincolata alla materia, proseguì il suo cammino nello spazio che continuava ad espandersi. Ed è proprio questa la radiazione di fondo dell’Universo.
Nei 13 miliardi di anni che ci separano da quel momento, la radiazione di fondo è diventata sempre più fredda, fino a raggiungere attualmente i 2,7 K. In termini di onde elettromagnetiche, si può anche dire che l’espansione ha costretto i fotoni residui a diminuire l’energia e di conseguenza ad aumentare la lunghezza d’onda in base alla legge:  E= hc/ lunghezza d’onda dove h è la costante di Planck, c la velocità della luce e il prodotto viene diviso per la lunghezza d’onda del fotone, proprio come se le onde elettromagnetiche venissero “stirate”.
L’Universo, inteso come spazio-tempo, infatti, può essere pensato come ad un tessuto elastico che si può allungare a piacere, e le onde elettromagnetiche del fondo si possono immaginare come i disegni del tessuto: se ti tira la stoffa, di conseguenza. i disegni si deformano. Cioè, le onde elettromagnetiche originarie, che erano della lunghezza d’onda della luce visibile, sono state stirate fino a diventare oggi microonde, cioè con lunghezza d’onda maggiore ed energia minore. E se l’Universo continuerà ad espandersi, fra qualche miliardo di anni, le onde della radiazione di fondo saranno ulteriormente stirate, raggiungendo la lunghezza delle onde radio: gli scienziati del futuro parleranno non più di fondo a microonde ma di fondo a radioonde.

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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Una risposta a IV. La radiazione di corpo nero (II parte)

  1. Monica dice:

    Questa è una traccia significativa nella storia della vita dell'Universo. E se mai nel futuro, gli astronomi si preoccuperanno ancora di osservare la radiazioone cosmica, dovranno sintonizzarsi nel radio… Un po' come se ascoltassero Tutti Dentro!