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Astronomia

La scoperta della Radiazione cosmica di Fondo

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Questo fu l'anno decisivo per una delle imprese più importanti non solo dell'astronomia ma di tutta la scienza moderna: la scoperta del fondo radio alle microonde. Una notevole dose di fortuna unita alla capacità di non farsi sfuggire di mano una scoperta così importante rese i due protagonisti A. Penzias e R. Wilson meritevoli del premio Nobel. Erano due ingegneri della Bell Telephone con licenza di fare anche osservazioni di carattere radio astronomico con la loro antenna dedicata alle comunicazioni satellitari.

Nel 1965 la teoria dello Stato Stazionario contendeva alla teoria del Big Bang la descrizione dell'evoluzione dinamica del nostro Universo così come era definita dalla legge di Hubble.
L'espansione dell'Universo era l'unico dato certo riguardante la struttura a grande scala del nostro Universo: le galassie si allontanano le une dalle altre ad un velocità tanto maggiore quanto più grande è la distanza.
Si doveva però decidere se l'Universo aveva avuto un'origine (Big Bang) oppure se, pur continuandosi ad espandere all'infinito (una delle tre possibilità) questa espansione, come descritto dallo Stato Stazionario, era senza un inizio e, ovviamente, senza una fine.

Il primo che cercò di dare una descrizione quantitativa delle condizioni presenti in prossimità del Big Bang era stato G. Gamow, un fisico russo emigrato in America, negli anni Quaranta. Egli trovò che applicando la meccanica quantistica per spiegare le forze nucleari si poteva cercare di comprendere come nelle primissime fasi del Big Bang esistessero tutte le condizioni per la nucleosintesi degli elementi leggeri primordiali. Insieme ai suoi allievi R. Alpher e R. Herman  calcolò che il plasma presentava una elevata temperatura e densità necessarie ma anche sufficienti a poter dar luogo alla formazione dell'Elio primordiale. Ma non solo l'Universo doveva, in seguito all'espansione, raffreddarsi sino a produrre, dopo almeno 10 miliardi di anni di espansione, un residuo di radiazione corrispondente ad una temperatura, di corpo nero, di pochi gradi superiore allo zero assoluto. E' facile comprendere questo raffreddamento in seguito all'espansione. L'Universo espandendosi non può che raffreddare poiché non esiste niente altro con cui eventualmente scambiare il proprio calore. La diminuzione di temperatura al passare del tempo, partendo da un Big Bang denso e caldo, è una conclusione obbligata se si ammette l'espansione dell'Universo, a maggior ragione se l'espansione la si osserva. Solo ammettendo con lo Stato Stazionario che l'Universo è sempre stato così freddo come lo osserviamo oggi potremmo negare il Big Bang caldo, ed ogni effetto evolutivo legato alla distanza e quindi all'età dei corpi celesti più lontani.

Poco dopo la seconda guerra mondiale all'Università di Princeton R. Dicke e colleghi costruirono un radiometro operante nelle frequenze delle microonde ed effettuarono osservazioni ponendo un limite inferiore alla eventuale radiazione cosmica a 20 gradi Kelvin. Non osservarono direttamente la radiazione cosmica di fondo ma semplicemente, dato il limite di sensibilità dello strumento, poterono affermare che, se esisteva, doveva corrispondere ad un corpo nero con una temperatura inferiore ai 20 K. Nel frattempo per quasi tutti gli anni  '50 il risultato di Gamow fu trascurato dalla maggior parte degli astronomi sia osservativi che teorici con la notevole eccezione di Hoyle che però era il capofila della teoria opposta al Big Bang e che, discutendone con Gamow, cercò di dimostrare che la sua idea era errata.

Negli anni sessanta sempre all'Università di Princeton un giovane ricercatore P.J.E. Peebles rifece i conti di Gamow, li riferì al suo advisor R. Dicke, intuendo che la radiazione doveva corrispondere a quella di un corpo nero appena pochi gradi sopra lo zero assoluto. A questo punto R. Dicke riprese la questione in mano incaricando due ricercatori P.G. Roll e D.T. Wilkinson di costruire un piccolo radiotelescopio per cercare questa radiazione. Ma quando nel 1965 tutto era pronto per iniziare le osservazioni il gruppo di Dicke ricevette la telefonata di A. Penzias, che lavorava alla distanza di soli 50 km, che gli riferì che, insieme al collega R. Wilson, avevano trovato con la loro antenna da 6 metri un rumore nelle microonde che proveniva uniformemente da tutto il cielo e gli chiesero se lui aveva idea di che cosa si trattava. La scoperta era fatta e il gruppo di Dicke confermò le misure di Penzias e Wilson ma il merito della scoperta restò ai due oscuri ingegneri della Bell Telephone. Questa scoperta convinse la comunità astronomica della bontà della teoria del Biga Bang a scapito di quella ora abbandonata della teoria dello Stato Stazionario. Da allora lo studio della radiazione cosmica di fondo si è sviluppato con un dettaglio sempre maggiore confermando che lo spettro della radiazione alle microonde corrisponde ad un corpo nero a 2,75 gradi Kelvin. Palloni sonda, esperimenti (vedi Boomerang), missioni spaziali (Cobe e Wmap) sono state dedicate allo studio sin nei dettagli più minuti del fondo alle microonde. Ora, dopo la conferma non solo del modello del Big Bang ma che il nostro Universo ha una geometria euclidea in accordo con le moderne teorie inflazionarie, si attendono i risultati della prossima missione spaziale Planck che studierà le piccolissime disomogeneità del fondo cosmico, i germi delle future galassie.