LA CMB non può essere perfettamente isotropa

Nella sezione precedente si è parlato dell'isotropia della radiazione cosmica di fondo: tutto il cielo è pervaso da una radiazione con la stessa temperatura, con una precisione di 10 parti su milione. Tuttavia sovrapposta a questa grande omogeneità alcune anisotropie erano previste dalla teoria: come se sulla superficie del mare che appare piatta vista dall'aereo avvicinandosi si debbano scorgere delle lievi increspature dell'acqua.

Vediamo quali sono le ragioni teoriche che facevano prevedere queste lievi increspature.

Anisotropia di Dipolo : una prima forma di anisotropia prevista è dovuta al moto relativo della terra rispetto al fondo cosmico a microonde.

La terra infatti si muove alla velocità di circa 30 km/s attorno al Sole, il Sole si muove con una velocità di 220 km/s rispetto al centro della galassia e tutta la nostra galassia, insieme al gruppo locale di galassie, si muove verso un "grande attrattore" lontano, alla velocità di 600 km/s.

Non è dunque strano attendersi che la somma di tutte queste velocità risulti in una velocità della Terra rispetto alla materia lontana che ha emesso il fondo cosmico. Ci aspettiamo dunque, sempre per effetto Doppler, una variazione dell'intensità della CMB che risulterà con frequenza maggiore, e dunque "più calda", nella direzione del nostro movimento relativo.Questa misura è concettualmente molto importante perchè permette di misurare il nostro moto rispetto ad un sistema di riferimento in qualche motdo assoluto: quello in cui la materia lontana è a riposo.

Qui a fianco è mostrata la mappa dell'anisotropia di dipolo misurata da COBE. Con le misure raccolte dai satelliti anche delle generazioni successive ora abbiamo una stima molto precisa della velocità con cui ci muoviamo : 369 km/s con un errore inferiore a 1km/s.

L'immagine dell'Universo primordiale: La teoria del Big Bang assume che l'Universo sia un gas omogeneo ed isotropo, e così possiamo assumerlo su grandio scale. Tuttavia se lo osserviamo oggi esso presenta una struttura complessa : la materia non è distribuita ovunque in modo uniforme ma la troviamo addensata in zone ricche di gas interstellare da dove poi hanno origine le nuove stelle, in galassie e ammassi di galassie.

Per consentire alla forza di gravità di iniziare il suo lavoro, dobbiamo ipotizzare un Universo primordiale disseinato da lievi imperfezioni, piccole alterazioni nel modo in cui la materia era distribuita, ovvero delle perturbazioni di densità, che hanno portato la materia ad aggregarsi e a dar così origine alla complessità del nostro cosmo come la possiamo osservare oggi. L'incredibile varietà di strutture cosmiche che oggi possiamo osservare deve aver avuto origine da una situazione di quasi completa omogeneità alterata dalla presenza di piccoli "semi cosmici" sparsi in maniera casuale nell'Universo primordiale.

Prima della ricombinazione quando una regione di plasma a densità maggiore della media inizia ad addensarsi sotto la spinta della gravità, i fotoni tendono ad impedire il collasso attraverso la loro frenetica interazione con gli elettroni liberi. La resistenza opposta dai fotoni, analogamente a quella della pressione in un gas, mette quindi in moto delle oscillazioni nel plasma primordiale. Ogni perturnazione di densità pulsa ritmicamente, combattuta tra la spinta gravitazionale che la porta a diventare ancora più densa e la pressione di radiazione elettromagnetica che la spinge ad espandersi verso l'esterno.

Questo balletto va avanti fino alla ricombinazione: quando si formano gli atomi neutri la radiazione perde qualsiasi potere di arrestare la forza accentratrice della gravità. La materia venendo a mancare la resistenza opposta dalla radiazione può cominciare ad addensarsi in strutture mentre la radiazione se ne va invece per conto suo ma mantiene traccia delle oscillazioni al momento della ricombinazione: i fotoni della radiazioni saranno infatti più caldi o più freddi a seconda che si siano separati dalla materia in una fase di compressione oppure di rarefazione.

COBE, la prima missione spaziale dedicata allo studio della CBR ha come scopo non solo la misura di precisione dello spettro di corpo nero ma anche la ricerca delle anisotropie. Lo strumento che monta il satellite a questo scopo è DMR ( Differential Micrometer Radiometer): questo consta di 6 radiometri che misurano la differenza in potenza proveniente da due direzioni del cielo a 60° di distanza. Le misure sono state effettuate a tre diverse frequenze ( 31,5, 53 e 90 Ghz) e le frequenze sono state scelte in modo da minimizzare la contaminazione dell’emissione del disco galattico. Una descrizione dettagliata delle caratteristiche di DMR è riportata alla pagina del sito della NASA https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/about_dmr.cfm

Sono state raccolte misure per 4 anni, fino a Dicembre 1993.  La prima mappa, pubblicata nel 1992, seppur poco nitida, mostrò per la prima volta l’immagine dei semi cosmici primordiali: la radiazione cosmica presentava lievi anisotropia nella temperatura e l’entità delle fluttuazioni risultava essere di sole 10 parti per milione, a scale angolari tra 90° e 10°.

Fonti:

A.Balbi, "La musuca del Big Bang" Springer editore

P.De Bernardis, "Osservare l'Universo" , Il Mulino