Cosmologia per tutti

Paolo de Bernardis è docente di laboratorio di astrofisica all'Università "La Sapienza'' di Roma.
Insieme ad Andrew Lange del Caltech è responsabile del progetto BOOMERANG.

La pubblicazione dei risultati dell'esperimento Boomerang ha avuto grande risonanza sui mass-media. Immagino che l'impatto sulla comunità scientifica non sia stato inferiore.
In effetti è proprio così. Si figuri che il giorno dopo la pubblicazione del nostro articolo su Nature, erano già usciti altri otto articoli che si basavano sui nostri risultati. E nella settimana successiva sono stati pubblicati altri dieci articoli sullo stesso argomento.

I dati di Boomerang hanno permesso di misurare alcuni parametri cosmologici che prima erano conosciuti solo con grande incertezza, come ad esempio il parametro di densità Omega. Che precisione ha raggiunto Boomerang?
I risultati del nostro lavoro indicano che Omega, cioè il rapporto tra la densità media dell'universo e una certa quantità detta ``densità critica'', ha un valore compreso tra 0.9 e 1.1 con il 95% di confidenza. Ciò significa che, tenendo conto dei possibili errori degli strumenti, il valore vero di Omega ha la massima probabilità di trovarsi in quell'intervallo. Il significato della misura, allora, è che la quantità di materia mediamente presente in un certo volume del nostro universo è molto vicina alla quantità critica.

Come è stato possibile "pesare" l'universo? Sappiamo che il risultato chiave di Boomerang è stata la determinazione delle dimensioni angolari delle fluttuazioni nella radiazione cosmica di fondo. Questi due aspetti sono collegati?
La dimensione apparente di un oggetto lontano, oltre che dalle sue dimensioni intrinseche, dipende dalla curvatura dello spazio. Se questa è nulla, e ci troviamo quindi in uno spazio "piatto" euclideo, non ci saranno differenze tra le dimensioni osservate e quelle che ci aspetteremmo dalla nostra esperienza quotidiana basata sulle normali leggi della prospettiva. Ma le dimensioni appariranno maggiori se l'universo ha una curvatura positiva (geometria sferica) e minori se la curvatura è negativa (geometria iperbolica). Misurando la dimensione delle fluttuazioni, la cui grandezza intrinseca è nota con relativa sicurezza, si determina quindi la curvatura, che a sua volta dipende dalla densità di materia presente nell'universo. Secondo la teoria della relatività generale, infatti, la geometria dello spazio-tempo e il suo contenuto di materia sono intimamente connessi. E' in questo modo che abbiamo "pesato" l'universo.

Qual è stata la partecipazione al progetto da parte italiana?
L'Italia ha avuto una parte importante nella collaborazione. Praticamente, metà dei ricercatori erano italiani e metà americani, come pure le risorse utilizzate.

Abbiamo appena detto che Boomerang ha stabilito che la quantità di materia presente nell'universo è tale da renderne "piatta" la geometria. Cosa possiamo dire invece sulla natura di questa materia?
Come è noto, noi non sappiamo da cosa sia costituita la maggior parte della massa dell'universo. Una percentuale piccola, dell'ordine del 5%, è imputabile alla materia comune che vediamo e di cui siamo fatti, ovvero la materia "barionica". C'è poi la cosiddetta ``materia oscura'' che secondo altre osservazioni rende conto di un altro 30%. Al momento sono allo studio numerose teorie che cercano di gettare luce sulla questione. Potrebbe trattarsi del contributo di un nuovo tipo di particella che non è ancora stata scoperta.
Il restante 65% si tende comunemente ad attribuirlo all'energia della costante cosmologica, una forza repulsiva i cui effetti sono stati osservati e misurati attraverso studi su supernovae remote, ma la cui natura fondamentale è ancora ignota. Boomerang, misurando a quanto ammonta il totale della materia dell'universo, ha indirettamente confermato l'esistenza di questa sfuggente entità chiamata ``costante cosmologica''.
Ma questo non è l'unico risultato. Dai dati di Boomerang è anche possibile determinare la percentuale di materia barionica (cioè ordinaria) presente nell'universo rispetto a quella totale.

Questa percentuale è risultata del 5%?
No. Una prima analisi dei dati indica un valore leggermente superiore, circa del 7%. Questo risultato inatteso deve essere ancora confermato da una analisi piu' completa. Potrebbe essere spiegato da altri fattori che non coinvolgono il rapporto tra massa barionica e massa non barionica.

In che modo si riesce a risalire alla percentuale di massa barionica?
I dati di Boomerang, opportunamente processati, ci dicono la dimensione angolare tipica di certe strutture che corrispondono ad onde sonore oscillanti nel plasma al momento del disaccoppiamento materia-radiazione. Se noi mettiamo in un grafico la quantità di strutture che si trovano alle diverse dimensioni angolari, otteniamo un vero e proprio grafico di oscillazioni a diverse frequenze. I rapporti delle altezze dei diversi picchi indica l'abbondanza relativa dei barioni nel senso che molti barioni implicano maggior altezza dei picchi dispari rispetto ai picchi pari. Noi abbiamo potuto ottenere solo i primi due picchi ed il loro rapporto dava per l'appunto un valore di massa barionica un po' più grande di quanto ci si aspettasse.

Quali sono invece le altre cause capaci di influire su questi dati?
Per esempio potrebbe esserci una potenza emissiva maggiore a grandi angoli, la qual cosa inclinerebbe il grafico innalzando il primo picco. Oppure la ricombinazione (cioè la formazione degli atomi di idrogeno a partire dagli elettroni e protoni del plasma primordiale) potrebbe essere avvenuta un po' più tardi rispetto a quanto crediamo, per esempio a redshift 700-800 anziché 1000; in questo modo le oscillazioni a maggior frequenza, cui corrispondono i picchi secondari, avrebbero avuto il tempo di smorzarsi.

In che cosa consistono esattamente queste oscillazioni?
L'universo, all'inizio della sua storia, non era perfettamente omogeneo, ma presentava anche delle piccole fluttuazioni di densità. La meccanica quantistica prevede infatti che in un'epoca molto remota, ancora prima dell'inflazione (una fase di espansione accelerata che si ritiene sia avvenuta appena dopo il Big Bang), si siano formate delle piccole variazioni di densità nella sostanziale omogeneità del "brodo primordiale".
La gravità, di conseguenza, tendeva a far collassare le zone di maggior densità comprimendole sempre di più. Questa compressione, però, veniva contrastata dall'aumento di energia dei fotoni (che a quell'epoca interagivano continuamente con la materia) che tendevano invece, con la loro pressione, a far espandere le zone di sovradensità. Il contrasto tra queste due opposte tendenze alla contrazione e all'espansione ha determinato le oscillazioni.
Questo è lo scenario presente nell'universo nel momento "fotografato" da Boomerang: zone di diversa densità in oscillazione, ognuna con frequenze ben precise determinate dalle proprietà fisiche dell'universo. Il contrasto di colore delle mappe di Boomerang è indica proprio le differenze di temperatura (e quindi di densità) nelle diverse parti del cielo.

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