L’eco del Big Bang nelle mappe di lensing gravitazionale

La radiazione cosmica di fondo (in inglese Cosmic Microwave Background, o CMB) è il residuo della radiazione elettromagnetica che permea in modo omogeneo tutto l’Universo. Essendo stata prodotta dal Big Bang, viene anche chiamata eco del Big Bang. La radiazione cosmica di fondo è al centro di tantissime ricerche cosmologiche perché ci può dare una delle prime e più dettagliate immagini di com’era l’Universo appena nato, quali erano la sua composizione e struttura, e come si è evoluto nel tempo.

Federico Bianchini è alla School of Physics di Melbourne per analizzare le mappe del cielo a microonde prodotte dalla CMB. A partire dalle osservazioni del South Pole Telescope (SPT), e grazie a strumenti computazionali e statistici, Bianchini si propone di ricostruire delle mappe di distribuzione della materia nell’Universo.

Nome: Federico Bianchini
Età: 31 anni
Nato a: Ostia (Roma)
Vivo a: Melbourne (Australia)
Dottorato in: astrofisica (Trieste)
Ricerca:, Vincoli sui parametri cosmologici da osservazioni di lensing della radiazione cosmica di fondo
Istituto: School of Physics, University of Melbourne
Interessi: surf, frisbee, musica, stare in mezzo alla natura
Di Melbourne mi piace: tutto,è molto europea, si mangia bene, è vicino al mare
Di Melbourne non mi piace: la lontananza da casa, le 24h di aereo
Pensiero: When a ball dreams, it dreams it’s a Frisbee’. (Gerald Griggs)

Quali sono i vantaggi del South Pole Telescope per questo tipo di studi?

È un telescopio piuttosto grande che si trova al Polo sud geografico, ha 10 metri di diametro e una serie di rilevatori sensibili alle microonde che rendono possibile lo studio della radiazione cosmica di fondo. Dal punto di vista osservativo, il Polo sud è uno dei luoghi migliori per raccogliere dati sulla CMB, innanzitutto perché è molto elevato, con un’altezza sul livello del mare tra 2 e 3 km: la minore colonna d’aria sopra la testa fa sì che la nitidezza delle immagini sia maggiore.
Inoltre è un ambiente molto secco; nell’atmosfera c’è pochissimo vapore acqueo, tutta l’acqua è congelata nel ghiaccio del suolo. Ciò è un vantaggio per lo studio delle microonde perché a tale lunghezza d’onda i segnali verrebbero assorbiti dalle molecole d’acqua.

Le osservazioni raccolte dal SPT possono essere usate per creare delle vere e proprie mappe del cielo nelle microonde e scattare così una foto all’Universo primordiale, quello di circa 400 mila anni dopo il Big Bang.
Queste mappe possono essere poi confrontate con quelle prodotte da simulazioni di algoritmi su ipotetici universi e permettono di fare ipotesi su composizione, comportamento ed evoluzione dell’Universo a istanti di tempo diversi. Infatti, ciascun universo simulato, inteso come qualcosa che ha materia barionica, tanta materia oscura e tanta energia oscura, produrrà una diversa mappa di radiazione cosmica a microonde in base ai vincoli fissati sui parametri cosmologici. Variando questi vincoli e confrontando il risultato con le osservazioni, si può per esempio capire cosa c’è all’origine dell’accelerazione cosmica, stimare il tasso di espansione, misurare la massa dei neutrini (ne abbiamo parlato qui), analizzare la polarizzazione della CMB, creare mappe di lensing gravitazionale.

Come si creano le mappe di lensing gravitazionale?

Si può immaginare la radiazione cosmica di fondo come un’immagine di qualcosa lontanissimo da noi, circa 14 miliardi di anni luce: la luce che ci arriva oggi, perciò, ha viaggiato un sacco di tempo, si è propagata in un Universo che si stava evolvendo e, nel suo percorso, ha interagito con tutto quello che incontrava. Secondo la teoria della relatività di Einstein, la presenza di una massa provoca la deflessione dei raggi di luce che passano nelle vicinanze del suo campo gravitazionale. Nell’Universo, a grande scala, la distribuzione di materia, nella forma di galassie, ammassi di galassie, filamenti, ecc., ha agito sui fotoni deviando i loro percorsi proprio come una lente, da cui il nome di effetto di lensing gravitazionale. Le mappe di lensing sono importanti perché possono dare un’idea della distribuzione di materia nell’Universo: le regioni dello spazio in cui i fotoni vengono deviati di più corrispondono alle zone in cui c’è più materia.

E per quanto riguarda l’analisi della polarizzazione della CMB?

Uno dei parametri con cui si può descrivere la luce è la polarizzazione, concetto legato all’oscillazione del campo elettrico delle radiazioni elettromagnetiche. Una parte della polarizzazione, che si chiama B-mode, è particolarmente importante perché è un segnale prodotto dalle onde gravitazionali durante il periodo di inflazione cosmica, un’epoca dell’universo anche precedente a quella dalla quale sembra arrivare la CMB ma a cui non possiamo avere accesso diretto per motivi puramente fisici.

L’inflazione è la teoria più valida che abbiamo per descrivere la nascita dell’Universo o comunque i suoi istanti iniziali di vita (ne abbiamo parlato qui). Se è andata come pensiamo, le onde gravitazionali generate in questa fase sono molto diverse da quelle rivelate da LIGO o VIRGO perché hanno una lunghezza d’onda ben superiore e si sono generate da altri tipi di processi fisici. La cosa interessante è che queste onde gravitazionali lasciano un’impronta sulla radiazione cosmica di fondo che può fornirci un sacco di informazioni addizionali sull’Universo. Purtroppo è un segnale molto difficile da rilevare perché è molto debole a causa della distanza e del rumore di fondo delle emissioni di polarizzazione presenti nella nostra atmosfera e nella nostra galassia.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Continuare a studiare la polarizzazione della CMB e riuscire a rilevare questi B-mode. Nessuno sa se esistono veramente e sarebbe una scoperta molto rilevante.

Un altro studio che stiamo portando avanti è usare la CMB per scoprire ammassi di galassie e per studiare come funziona la gravità su larga scala. Le radiazioni di fondo, infatti, risentono dell’interazione gravitazionale con queste grandi strutture e, nelle mappe, ciò si traduce nella presenza di una specie di ombre. Inoltre, in base alle variazioni di intensità della CMB, si possono ricavare informazioni sui processi fisici che avvengono all’interno degli ammassi di galassie e su quanto queste sono veloci.

Infine, un filone della mia ricerca coinvolge l’esperimento POLARBEAR/Simons Array. Si tratta di un array di telescopi, attualmente in costruzione, che verranno installati nel deserto di Atacama in Cile, a 5000 m sopra il livello del mare. L’obiettivo è studiare nel dettaglio la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo per riuscire a misurare il segnale delle onde gravitazionali generate durante l’inflazione.

Leggi anche: L’espansione dell’Universo attraverso le onde gravitazionali

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