1965: La scoperta del fondo cosmico a microonde

Come abbiamo visto nella sezione precedente la scoperta delle onde elettromagnetiche aveva abbandonato presto l'ambito della ricerca pura ed aveva trovato nelle telecomunicazioni uno sviluppo tecnologico che aveva attratto l'interesse industriale.
Correva l'anno 1960 la NASA insieme ai "Bell Laboratories" metteva in orbita uno dei primi satelliti artificiali per verificare la possibilità di trasmettere segnali radio televisivi a grande distanza, utilizzando le microonde. Quel satellite venne battezzato "ECHO": un pallone di 30 metri di diametro circa, rivestito in polyestere alluminato. Grazie allo stato metallico poteva riflettere le microonde inviate da terra verso zone oltre l'orizzonte del trasmetitore. Si ponevano così le basi delle trasmissioni via satellite.
 

In quel periodo nessuno avrebbe sospettato che quel, relativamente semplice, dispositivo, di lì a qualche anno (1964), avrebbe portato ad una straordinaria scoperta, diventata poi una pietra miliare della cosmologia moderna, cioè la prova sperimentale dell'esistenza del "fondo a microonde", teorizzata nel 1946 da George Gamow e Robert Dicke, che confermava ampiamente la teoria del Big Bang in contrapposizione a quella dello "stato stazionario", sostenuta da Bondi, Gold ed Hoyle.

Lo strumento che registrò il segnale del "fondo a microonde" apparteneva, ancora una volta, ai "Bell Laboratories": si trattava di un'antenna a "corno" costruita per gli esperimenti abbinati al satellite ECHO. Nel 1961 Arno Penzias e Robert Wilson, che lavoravano ai Bell Laboratories, proposero di riutilizzare una grande antenna che era stata utilizzata con Echo per sperimentare le prime trasmissioni via satellite per loro studi scientifici. Modificando opportunamente questa antenna vogliono studiare l'emissione a micoonde di Cassiopea A, il gigantesco residuo dell'esplosione di una supernova.

Penzias e Wilson dovevano modificare l'antena perchè necessitavano di un ricevitore estremamente stabile per i loro studi. Un radio ricevitore è costituito da un'antenna, che raccoglie le onde elettromagnetiche provenienti dalla direzione di interesse e le converte in una piccola corrente elettrica alla stessa ferquenza  e da un rivelatore, che converte la corrente in un segnale elettrico continuo, con ampiezza proporzionale all'intensità dell'onda elettromagnetica ricevuta.

Il segnale elettrico all'uscita del rivelatore è amplificato abbastanza da poter essere misurato con un voltmetro. Il sistema può essere affatto da tre tipi di difetti: instabilità del guadagno, offset, rumore.

Vediamoli bervemente per comprendere le modifiche effettuate da Pentias e Wilson:

Instabilità del guadagno: Il guadagno G è il rapporto tra l'ampiezza del segnale in uscita dal ricevitore e l'intensità dell'onda elettromagnetica raccolta dall'antenna. G dovrebbe essere grande, noto e sempre lo stesso. Il ricevitore è calibrato quando se ne conosce il guadagno: quando si registra un certo segnale in Volt osservando una nuova sorgente , si divide per il guadagno e si ottiene il suo flusso. Un'incertezza del 20% del valore di G comporterebbe un'incertezza del 20% sul valore di tutti i flussi misurati dal ricevitore. Purtroppo negli amplificatori a micironde utilizzati nei primi anni '60 G variava al passare del tempo in modo poco prevedibile, a causa dell'invecchiamento e della dipendenzadalla temperatura e da altri fattori ambientali dei componenti elettronici utilizzati.

Il secondo possibile difetto nei ricevitori è la presenza di un offset. Il segnale in uscita dal ricevitore è proporzionale all'intensità delle onde elettromagnetiche ricevite. Quindi ci aspettiamo che se l'intensità in ingresso è nulla si ottenga un segnale nullo in uscita. Invece, anche in assenza di onde elettromagnetiche il ricevitore produce sempre un segnale in uscita, piccolo ma non nullo, chiamato appunto offset. In questo modo non si sa quanto del segnale misurato sia dovuto alla sorgente e quanto all'offset.Finchè l'intensità della sorgente è forte, la presenza dell'offset non è un problema perchè il suo contributo è trascurabile rispetto a quello della sorgente. Invece, quando si misurano segnali deboli, come nel caso radioastronomico, l'offset può diventare prvalente e falsare completamente le misure.Se l'oofset fosse stabile nel tempo basterebbe misurarlo all'inizio tappando l'antenna. Ma l'offset, come il guadagno, non è stabile, fluttua lentamente.

Penzias e Wilson risolsero il problema facendo una misura differenziale, alternando velocemente all'ingresso ( molte volte al secondo) il segnale proveniente dal cielo e il segnale proveniente da un corpo caldo di riferimento che produce onde elettromagnetiche con uno spettro noto. L'offset, che è presente in ambedue i casi, e che data la breve distanze di tempo tra le due misure rimane praticamente costante, viene rimosso nella differenza. Aggiungendo all'intensità misurata l'intensità del corpo di riferimento (calcolata) si ottiene il valore dell'intensità proveniente dal cielo.

L'intensità prodotta dal corpo di riferimento deve essere inferiore o dello stesso ordine di grandezza dell'intensità proveniente dal cielo: se infatti l'intensità del riferimento infatti è molto grande, anche un piccolo errore nella stima della sua intensità provoca un residuo nella sottrazione che può esser grande rispetto all'intensità del cielo. Penzias e Wilsono conclusero dunque che dovevano utilizzare un corpo a bassa temperatura, per poter avere un'emissione confrontabile a quella che si aspettavano provenire da Cassiopea. Realizzarono così un corpo criogenico, raffreddandolo con elio liquido a 4.2 K.

Per risolvere il problema dell'instabilità in guadagno , programmarono di eseguire anche osservazioni sostituendo il cielo ad un secondo corpo nero, a temperatura diversa dai 4.2 K. Facendo il rapporto tra il segnale misurato in queste condizioni ( noto) e la differenza di emissione dei due corpi ( anch'essa nota) si stima il guadagno G del ricevitore. Se questa calibrazione viene eseguita spesso si possono eliminare gli errori dovuti alla lenta variazione del guadagno del ricevitore.

Vi era poi il problema del rumore del ricevitore: a causa infatti dell'agitazione termica degli elettroni presenti nei circuiti elettronici si ha un continuo e casuale moto degli elettroni che comporta piccole fluttuazioni di carica e quindi piccole differenze di potenziale casuale, che vengono amplificate dall'amplificatore e generanoun segnale in uscita fluttuante casualmente, che si sovrappone al segnale da misurare.

Penzias e Wilson, per minimizzare il ruomore utilizzarono un amplificatore molto avanzato, basato su un Maser ( sviluppato agli inizi degli anni '50) a bassissimo rumore.

Penzias e Wilson avevano quindi realizzato un sistema innovativo, con prestazioni molto mogliori di quelle ottenute fino a quel momento dai radioastronomi. E quando si fa un salto di qualità tecnologico e lo si applica per la prima volta, arrivano sempre risultati nuovi e spesso inattesi.

Quando infatti  iniziarono ad osservare il cielo con il loro radiotelescopio, rilevarono un segnale costante, di natura sconosciuta, che veniva ricevuto indipendentemente dalla direzione a cui puntava l'antenna. Inizialmente pensarono che questo segnale fosse generato internamente allo strumento e passarono diversi mesi per identificarne l'origine ma alla fine dovettero concludere che il segnale proveniva dal cielo. L'intensità di questo segnale cosmico era piuttosto bassa, corrispondeva all'emissione di un corpo nero di soli 3,5 K e per questo motivo aveva eluso tutte le precedenti misure.

Penzias e Wilson pubblicarono il loro risultatonel 1965 sull'"Astrophysical Journal" col titolo , asciutto e molto tecnico, "Misura di un eccesso di temperatura d'antenna alla frequenza di 4080 megacicli".

A pochi chilometri di distanza, a Princeton, il gruppo di Dicke stava proprio cercando le microonde provenienti dall'universo primordiale. Anche loro avevano tentato di eseguire le misure con della loro strumentazione ma questa non aveva la sensibilità sufficiente per riuscire a captare il debole segnale. Quando Dicke venen a conoscenza delle misure di Penzias e Wilson capì immediatamente l'importanza della loro scoperta: avevano trovato ciò che lui cercava da anni: la luce prodotta dall'universo primordiale, trasformata in debole fondo di microonde dall'espansione dell'Universo, una prova fondamentale a favore del Big Bang caldo. L'articolo "Radiazione cosmica di corpo nero" a firma di Dicke, Peeples, Roll e Wilkinson riportava l'interpretazione cosmologica del risultato sperimentale di Penzias e Wilson. Per la loro scoperta, considerata una delle più importanti del secolo, i due scienziati presero il premio Nobel nel 1978.

Penzias e Wilsono non stavano cercando ciò che hanno scoperto, tuttavia svilupparono ed applicarono metodologie mai usate prima e analizzarono il sistema che avevano costruito con estrema profondità, fino a capirne perfettamente tutti i potenziali effetti di disturbo, che avrebbero e avevano già portato altri a conclusioni sbagliate..

La flebile radiazione scoperta da Panzias e Wilson venne denominata "Fondo Cosmico a Microonde" ( Cosmic Microwave Background , CMB).

Fonte: Paolo De Bernardis "Osservare l'Universo" . Edizioni il Mulino