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l'universo in un raggio di luce

COME LA SPETTROSCOPIA HA CAMBIATO L'ASTRONOMIA

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11. la spettroscopia e la cosmologia

Il cosiddetto modello del Big Bang è il modello che tutt'ora spiega meglio l'evoluzione dell'Universo, da uno stato iniziale in cui la densità e la temperatura erano incredibilmente elevate, fino ad oggi, in cui la materia conosciuta e qualcos'altro che ancora non conosciamo bene sono dispersi nello spazio freddo. Questo modello ha ricevuto tre forti conferme sperimentali, che in un modo o nell'altro hanno a che fare con la spettroscopia:

1. la fuga delle Galassie


Edwin Hubble (1889-1953)

Osservando lo spettro di galassie contenenti cefeidi, delle quali si conosceva la distanza, l'astronomo americano Hubble nel 1929 ha scoperto grazie all'effetto Doppler che la velocità di allontanamento è proporzionale alla distanza. Da questo ha dedotto che l'Universo si espande e dalla velocità di espansione dipende l'età dell'Universo.

2. l'abbondanza degli elementi


NGC 281
credit: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team STScI/AURA)

L'abbondanza relativa degli elementi idrogeno, deuterio, elio-3, elio-4 e litio è stata misurata in ambienti poco evoluti attraverso lo studio delle righe spettrali. L'analisi ha confermato le ipotesi della teoria del Big Bang, che prevedeva negli istanti iniziali una produzione di 3/4 di idrogeno 1/4 di elio e tracce di altri elementi leggeri.

3. la radiazione di fondo


Arno Penzias e Robert Wilson

Nel 1965 Penzias e Wilson hanno scoperto un segnale uniforme proveniente dallo spazio. Questa radiazione nella banda delle microonde proviene da tutto l'universo ed ha una perfetta curva di corpo nero, e corrisponde alla radiazione cosmica di fondo prevista da Gamow nel 1948 nella sua teoria del Big Bang.

La radiazione cosmica di fondo

La radiazione cosmica di fondo a microonde, conosciuta con l'acronimo CMB (Cosmic Microwave Background), è sicuramente l'oggetto di studio più interessante della cosmologia, la scienza che indaga le origini e l'evoluzione dell'Universo. Ma che cos'è e da dove viene?

Nei primi istanti dell'Universo la materia era ionizzata e molto calda, materia e radiazione si urtavano continuamente ad altissima energia. L'Universo era opaco come accade all'interno di una stella, e tutte le particelle insieme ai fotoni erano in equilibrio termodinamico. Quando l'espansione raffreddò il plasma, elettroni e protoni iniziarono a combinarsi formando i primi atomi di idrogeno, e lasciarono i fotoni al loro destino, quello di vagare per sempre nell'Universo alla velocità della luce, almeno finché non incontrano qualcosa in grado di intercettarli. Fu in questo istante detto ricombinazione, avvenuto circa 380.000 anni dopo il Big Bang, che l'Universo divenne trasparente.


credit: NASA/ESA and Ann Feild (STScI)

Il fondo di radiazione nelle microonde misurato da Penzias e Wilson è proprio quello che resta di quel mare di fotoni iniziali. Al momento della ricombinazione (proprio quando si sono lasciati l'ultimo fotone e l'ultimo elettrone) la temperatura era di circa 4.000 K, e a causa dell'equilibrio termodinamico precedente la distribuzione della radiazione in quell'istante era una perfetta curva di corpo nero corrispondente a quella temperatura.


fonte: WMAP Science Team, NASA

Da quel momento ad oggi, a causa dell'espansione dell'Universo, questa radiazione si è notevolmente raffreddata mantenendo il caratteristico spettro di corpo nero. Attualmente noi vediamo un fondo cosmico nelle microonde che proviene da da ogni direzione dello spazio e fortemente isotropo (ovvero pressoché identico in tutte le direzioni). Lo spettro corrisponde perfettamente alla radiazione di un corpo nero con la temperatura di 2,725 K e la lunghezza d'onda massima cade nelle microonde a circa 1,7 mm.

La radiazione cosmica di fondo è come una fotografia dell'Universo all'istante della ricombinazione: la sua temperatura ci dà informazioni sulla storia termica dell'Universo, e la misura delle minime fluttuazioni di temperatura ci dà informazioni sulle perturbazioni primordiali che per instabilità gravitazionale hanno formato le strutture cosmiche che oggi conosciamo. 

La misura più accurata dello spettro delle fluttuazioni di temperatura del CMB è dovuta al satellite WMAP:


La mappa del WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), l’universo all’età di 400 mila anni
credit: Astronomy Picture of the Day, WMAP Science Team, NASA

L'analisi della mappa prodotta dal WMAP ha permesso di misurare i seguenti dati, compatibili con i dati ricavati dall'osservazione delle supernove lontane di tipo Ia:

La spettroscopia ha contribuito alla conoscenza dell'Universo, fornendo risposte all'antica domanda dei nostri progenitori dalla quale siamo partiti. L'uomo nell'antichità era convinto che la Terra fosse al centro dell'Universo. Poi la scienza ci ha insegnato via via che siamo su un piccolo pianeta in orbita intorno ad una piccola stella in rotazione alla periferia di una comune galassia appartenente ad uno dei tanti ammassi di galassie distribuiti in uno spazio vuoto... ora scopriamo che la materia di cui siamo fatti contribuisce in minima parte alla densità totale dell'Universo, e chissà quante cose conosceremo ancora nel futuro. Per l'uomo è un salutare bagno di umiltà, ma ci deve essere anche un po' di orgoglio, per essere riusciti, dal nostro piccolo angolino, a viaggiare con la mente nello spazio e nel tempo per ammirare le meraviglie del nostro Universo.

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