Come si ricorderà, nel 2009 l’agenzia spaziale europea lanciò un avanzato telescopio spaziale dedicato esclusivamente allo studio della radiazione cosmica di fondo, detta anche radiazione fossile. Il veicolo si chiamava Planck ed aveva il contributo maggiore da Italia e Francia, con una partecipazione anche della NASA (che pochi anni prima aveva lanciato il satellite WMAP con lo stesso obiettivo ma ecnologicamente meno sofisticato). Il telescopio criogenico effettò 8 scansioni dell’intera volta celeste dal punto di librazione L2, tra Agosto 2009 e Ottobre 2013, producendo mappe di inedito dettaglio in 9 bande tra 30 e 857 GHz, comprese le prime misure della polarizzazione delle microonde.

 Sulla base di quelle preziose mappe da oltre 1 miliardo di pixel, che sono una fotografia dell’universo quando aveva solo 380mila anni di vita, un esercito di ricercatori risucì ad estrarre una mole impressionante di informazioni e pubblicò i risultati nel 2013 e poi nel 2015. Adesso, un gruppo internazionale auto-definitosi “Planck Legacy” (“eredità di Planck”), tra cui molti italiani ma anche indiani, americani e inglesi, ha ripetuto le analisi in modo ancor più meticoloso e, soprattutto, integrandoli al meglio con le informazioni sulla polarizzazione della radiazione, fondamentale per discriminare l’effetto del “lensing” gravitazionale (la deviazione relativistica della luce) sulle disuniformità del CMB. Tale valutazione era precedentemente incompleta e affetta da svariate incertezze, mentre in questa terza “release” (PR3) è stata trattata in maniera esaustiva ed ha permesso di ricavare il modello più preciso mai realizzato del nostro universo, sempre basato sul modello cosmologicio “ΛCDM” (con energia oscura e materia oscura fredda), il quale del resto mostra ancora di adattarsi perfettamente ai dati di Planck, come pure alle osservazioni sull’universo locale.

Plank picchi

I picchi osservati da Planck su diverse scale angolari. In alto la temperatura del CMB, in basso la combinazione tra temperatura e polarizzazione; la linea azzurra indica le previsioni del modello ΛCDM. – Credit: Astronomy & Astrophysics / Planck Collaboration / ESO 2018

 I 6 parametri indipendenti che caratterizzano il “modello standard” in questione sono stati ricavati studiando 18 picchi nella uniformità di temperatura e polarizzazione (v. figura sopra) e comprendono la densità della materia barionica (ordinaria) Ωb e della materia oscura Ωc, entrambe moltiplicate per il quadrato del fattore di Hubble h(1); ci sono poi l’indice “scalare spettrale” ndelle oscillazioni, la loro “scala angolare acustica” θ e la profondità ottica τ all’epoca della re-ionizzazione. Tranne che per l’ultimo parametro, le incertezze relative sono sempre minori dell’ 1% e, come si vede nella seguente tabella, diventano ancor più precise integrando le misure di Planck con le misure delle “Baryon Acoustic Oscillations” (BAO) osservate nella densità dell’universo non troppo distante da noi; da ora in poi farò riferimento a queste ultime stime, riportate nella colonna a destra.

Plank param:

I parametri fondamentali (sfondo giallo) e quelli da essi derivati (verde e azzurro) – Credit: Astronomy & Astrophysics / Planck Collaboration / ESO 2018

 Le quantità riportate con sfondo verde in tabella sono parametri ricavati dai precedenti; il primo è la costante di Hubble H0 (di cui parleremo meglio tra poco), seguita dalla densità relativa di energia oscura e materia (oscura e non) che si attestano rispettivamente sul 68,9% e 31,1%. E’ facile calcolare, sulla base dei parametri già menzionati, che la materia barionica ordinaria ammonta al 4,9% (con incertezza vicina allo 0,1%) e il rimanente 26,2% è materia oscura. Scorrendo in basso, il parametro che subito salta all’occhio perchè di immediata comprensione è l’età dell’universo, cho si attesta su 13787 milioni di anni con incertezza di soli 20 milioni di anni; si tratta di un ulteriore affinamento rispetto alla stima del 2015 (13,80 miliardi di anni) e adesso l’errore relativo è sceso allo 0,15%, qualcosa che si stenta a credere nel campo della cosmologia.

 In effetti chi, come il sottoscritto, si appassiona a questi argomenti da più di due decenni ricorda che, nella seconda metà del secolo scorso, gli astronomi si scontravano duramente sulle stime della costante di Hubble e, di conseguenza, sull’età dell’universo. Le due principali scuole di pensiero si erano arroccate su due valori contrapposti e inconciliabili, uno intorno a 50 km/s/Mpc e l’altra intorno a 100 km/s/Mpc; di conseguenza, le stime sull’età oscillavano tra meno di 8 e quasi 20 miliardi di anni, a seconda delle assunzioni sulla densità media (anch’essa poco conosciuta all’epoca); a dire il vero, stime indipendenti basate sull’abbondanza di elementi radioattiv e sull’evoluzione stellare permettevano già di escludere una età inferiore a 10 miliardi di anni e suggerivano un valore vicino ai 15 miliardi di anni, favorendo quindi valori medio-bassi della costante di Hubble e suggerendo, nel contempo, una densità media piuttosto bassa (all’epoca si tendeva ad escludere l’esistenza di una “costante cosmologica”, poichè non c’erano ancora evidenze di accelerazione dell’espansione).

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La polarizzazione del CMB a 143 GHz (in alto) e l’entità del “lensing” gravitazionale de essa ricavata (in basso) – Credit: Astronomy & Astrophysics / Planck Collaboration / ESO 2018

 In poco più di 20 anni è passata tantissima acqua sotto i ponti e, mentre per la costante di Hubble ci si è attestati su un valore medio-basso (si veda il grafico “storico” qui sotto a sinistra), le rimanenti incongruenze sulla densità e sull’età sono state risolte grazie all’esistenza di energia oscura che, di fatto, rende praticamente “piatta” la geometria dell’universo su grande scala, come se fosse vuoto. Quest’ultimo fatto è esplicitato dal parametro Ωk (il primo della sezione a sfondo azzurro) che risulta, considerando la zona di errore, praticamente nullo.

 Un altro parametro interessante è Σmν che indica la massa combinata dei tre tipi di neutrino (elettronico, muonico e tau); adesso il limite superiore è estremamente contenuto, solo 0,12 eV/c2. Dunque Planck ha qualcosa da dire anche a proposito delle particelle subnucleari e della fisica fondamentale. Una considerazione impressionante fatta dagli autori è che, ormai, la nostra conoscenza dell’universo all’epoca del “disaccoppiamento” meteria-luce (quando si è generato il CMB) è migliore di quella dell’universo odierno su grande scala, tanto che ormai tutti gli studi o esperimenti cosmologici fanno uso dei vincoli forniti da Planck!

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Evoluzione delle stime sulla costante di Hubble (a sinistra) e le zone ammesse in funzione della densità della materia nell’universo (a destra). – Credit: Astronomy & Astrophysics / Planck Collaboration / ESO 2018 – Processing: M. Di Lorenzo

 Torniamo un attimo alla costante di Hubble per sottolineare come la nuova stima, H0=67,66 (±0,42) km/s/Mpc, si è leggermente abbassata rispetto a quella del 2015 e così il divario tra i valori di H0 ottenuti con metodi classici “locali” e le misure ricavate dalla radiazione fossile (divario di cui abbiamo già parlato  più volte) è cresciuto ulteriormente, rendendo del tutto inconciliabili le due stime dal punto di vista statistico. La situazione è graficamente mostrata in modo eloquente nel grafico in alto a destra, in cui la regione “permessa” da Planck (in blu-azzurro) è irrimediabilmente distante dalla fascia grigia ricavata ultimamente da Riess e altri utilizzando le misure di curve di luce di parallasse delle variabili Cefeidi, effettuate con Gaia e Hubble (H0=73.52±1.62 km s−1 Mpc−1). Tutto ciò, come è stato detto più volte, potrebbe preludere all’avvento di una “nuova Fisica” (e una “nuova Cosmologia”) ma non tutti sono convinti che questa sia l’unica soluzione possibile…

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La caratteristica distribuzione “diploare” del CMB vissta dal satellite COBE- Credit: DMR, COBE, NASA, Four-Year Sky Map

 Per concludere, un argomento poco noto ma di importanza fondamentale è quello della misura della nostra velocità rispetto alla radiazione CMB. Già pochi anni dopo la scoperta della radiazione fossile, con le osservazioni fatte da Terra si notò una “componente di dipolo” che venne subito riconosciuta come dovuta al moto relativo del sistema solare; in pratica, la regione verso cui ci stiamo muovendo appare più “calda” rispetto al punto diametralmente opposto nel cielo, perchè le frequenze che riceviamo risultano più alte per l'”effetto Doppler” (naturalmente, nelle mappe studiate per derivare i parametri cosmologici, come quella in apertura di articolo, tale effetto è stato preventivamente sottratto come pure il contributo della Via Lattea). Come illustrato dalle tabelle seguenti, adesso grazie a Planck la misura di questo movimento ha raggiunto livelli di precisione eccellenti e questa misura, che come vedremo, ha una certa importanza nell’astrofisica.

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Credit: Astronomy & Astrophysics / Planck Collaboration / ESO 2018 – Processing: M. Di Lorenzo

 La differenza tra i due punti estremi corrisponde a una differenza di temperatura di quasi 7 milliKelvin (il doppio della colonna “amplitude” nella tabella in alto a sinistra), da confrontare con il valore medio di 2,7255 K; l’incertezza, come si vede, si è dimezzata rispetto alla stima del 2015, a sua volta 4 volte migliore del precedente WMAP e 12 volte migliore di COBE. Una volta rimossi gli effetti “stagionali” dovuti al moto orbitale della Terra e del satellite, essa corrisponde a una velocità relativa di 369,8 km/s tra il Sole e il CMB, come riportato nella tabella in alto a destra; la direzione del moto è nella costellazione poco consciuta del Cratere, con una incertezza dell’ordine di 30 secondi d’arco (le coordinate di questo “apice”  sono quelle galattiche). Tuttavia, si sa che il Sole non sta affatto fermo ma si muove a circa 18 km/s rispetto all stelle circostanti (il “Sistema di Riferimento Locale” LSR); questo, a sua volta, partecipa al moto di rivoluzione intorno al centro galattico a quasi 240 km/s. Alla fine, dato che quest’ultimo movimento avviene in direzione quasi opposta al primo, la somma vettoriale di tutti queste velocità risulta in un moto peculiare della Via Lattea rispetto al fondo cosmico di micro-onde pari a ben 565 km/s e, se consideriamo il baricentro del Gruppo Locale cui appartiene la nostra galassia, la velocità sale a ben 620 km/s! Presumibilmente, questo movimento è dovuto alle anomalie sulla distribuzione di densità di materia nei pressi del gruppo locale, nel cosiddetto “superammasso locale”. 

note:

(1) : Il fattore h non è altro che il rapporto tra la costante di Hubble H0 e il valore “di riferimento” 100 km/s/Mpc. Quest’ultimo è ormai obsoleto e scomodo da usare perchè, mentre in passato le stime andavano da h=0,45 a h=1,1, adesso H0 oscilla di poco attorno a 70 km/s/Mpc, che quindi dovrebbe essere preso come nuovo riferimento… ma si sa, le abitudini sono dure a cambiare!

Fonti:

https://arxiv.org/pdf/1807.06205.pdf

http://www.media.inaf.it/2018/07/17/planck-ultima-release/

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