La radiazione cosmica rappresenta non solo una testimonianza "fossile" dell’avvenuta esplosione iniziale, ma un utile strumento di indagine utilizzato dai cosmologi in diverse occasioni.  Essa è altamente omogenea ed isotropa, ovvero risulta avere la stessa intensità indipendentemente dalla regione della sfera celeste verso cui si puntano gli strumenti di misura.  Tuttavia, come abbiamo già descritto in queste stesse pagine, sono presenti minime fluttuazioni spaziali nella temperatura della radiazione che forniscano informazioni sull’inizio della formazione delle prime strutture galattiche avvenuta dopo circa 300.000 anni dal Big Bang.
In questo articolo mostriamo come, grazie all’effetto Sunyaev-Zel’dovich, la radiazione di fondo permette di risalire alle dimensioni di ammassi di galassie distanti ed alla massa del gas intergalattico in esse contenuta.  A livello cosmologico, inoltre, questo effetto permette di ricavare il tasso di espansione dell’universo e la sua età. 

L’universo è riempito da agglomerati (ammassi) di galassie delle dimensioni di milioni di anni luce e contenenti centinaia o anche migliaia di galassie.  Le osservazioni ai raggi X mostrano intense luminosità al centro degli ammassi dovute a gas ionizzato ad elevata temperatura (circa 100 milioni di gradi).  La massa di questo gas è considerevole: pari a 5-6 volte quella di tutte le galassie dell’ammasso.   Esso rappresenta in gran parte gas iniziale che, pur aggregandosi all’interno dell’ammasso, è rimasto in forma diffusa, senza raggiungere le densità critiche che lo avrebbero portato a "frammentarsi" in ulteriori galassie.  Le elevate temperature sono dovute alla gravità dell’ammasso che comprime il gas al centro scaldandolo proprio per compressione grazie al meccanismo accennato più sopra.

Oltre ad emettere raggi X, gli elettroni del gas interagiscono anche con i fotoni della pervasiva radiazione di fondo tramite il cosiddetto effetto Compton inverso.
Consideriamo un fotone di alta frequenza (e dunque di alta energia) che colpisce un elettrone fermo o comunque di bassa velocità (e dunque di bassa energia).  Dopo l’urto, il fotone avrà una frequenza (e dunque un’energia) minore, perché parte della sua energia viene comunicata all’elettrone che acquista una maggiore velocità: questo processo viene detto effetto Compton.  L’effetto inverso si ha quando il fotone interagisce con un elettrone ad energia maggiore della sua. In questo caso lo scambio di energia avviene al contrario, e l’elettrone rallenta mentre il fotone aumenta la sua frequenza.
A causa di questi processi, alcuni fotoni della radiazione di fondo aumentano la loro energia mentre altri la diminuiscono.  L’effetto complessivo è noto col nome di effetto Sunyaev-Zel’dovich, e produce fluttuazioni I molto piccole (circa una parte su 10,000) nella intensità della radiazione di fondo misurata in direzione dell’ammasso.

Sia l’emissione X degli ammassi che la fluttuazioni nell’emissione radio della radiazione di fondo in direzione degli ammassi stessi dipendono dal raggio dell’ammasso (assunto sferico) e dalla densità del gas in esso contenuto.
Grazie all’effetto Sunyaev-Zel’dovic, queste due quantità sono state ricavate dalle osservazioni congiunte negli intervalli di lunghezza d’onda X e radio per una quindicina di ammassi.
E' inoltre possibile misurare l’angolo sotteso dall’alone X sulla sfera celeste (fig. 1).
Questa misura, associata alla precedente misura del diametro, permette di ricavare anche la distanza dell’ammasso.  Se anche la velocità di recessione dell’ammasso è nota tramite l’analisi dello spostamento verso il rosso della radiazione emessa, si può ricavare un indicazione sull’età dell’universo. 

Figura 1 - Mappa del cielo attorno all'ammasso di galassie CL0016+16. Le curve chiuse rappresentano i contorni radio a 28.5 GHz. Essi indicano livelli costanti del decremento di intensità della radiazione di fondo a causa del deficit nel numero di fotoni a questa frequenza dovuta all'effetto Sunyaev-Zel'dovich.  Le aree colorate rappresentano l'emissione ai raggi X del gas intergalattico misurata dal satellite ROSAT: i (falsi) colori rappresentano zone di diversa intensità. Il "buco" radio è centrato sul punto dove è massima l'emissione X, proprio come predetto dal suddetto effetto. Le singole galassie, osservabili nell'ottico, non sono ovviamente visibili.