Cosmologia di Precisione: una rivoluzione scientifica!

Attualmente l’uomo come sta osservando l’universo? Un inizio per una nuova Cosmologia osservativa ha preso piede negli ultimi 20 anni. Possiamo chiamare questo nuovo approccio Cosmologia di Precisione. La conoscenza della nascita e della struttura del cosmo dipende molto dalla sensibilità strumentale e dalle missioni scientifiche che ne fanno uso, sia da terra che in orbita intorno al nostro pianeta, o addirittura in orbita intorno al sole. La Cosmologia di Precisione è stato ed è l’input iniziale di una rivoluzione scientifica.

Per lo studio e l’osservazione dell'universo oggi si possono adottare molti metodi scientifici, la tecnologia ha fatto passi da gigante, soprattutto siamo entrati nell'era della “Cosmologia di Precisione”. Grazie a questo nuovo tipo di Cosmologia siamo ora in grado di osservare l’universo con maggiore precisione e di stimarne i suoi parametri fisici in un contesto ancora più professionale. La professionalità raggiunta ci porta ad ottenere risultati sperimentali più credibili e capaci di accompagnare la nostra scienza in una evoluzione sotto ogni punto di vista.

La Cosmologia Classica inizialmente chiamata Cosmologia Matematica ha avuto il suo inizio dal lavoro di A. A. Friedman basato sulle soluzioni cosmologiche della Relatività Generale di A. Einstein nel caso isotropo e omogeneo. L’ipotesi adottata era quella di un universo costituito da particelle non interagenti chiamato “dust Universe”. Nella considerazione di un universo isotropo, omogeneo, pensato come un gas di “particelle-galassia” a bassa pressione, lo scopo della Cosmologia Classica era quello di descrivere le proprietà dell'universo su larga scala. Questo fu possibile grazie a dei modelli cosmologici di base offerti dalla Relatività Generale.

Più avanti altri scienziati abbandonarono l’ipotesi di isotropia e trovarono molti altri modelli per descrivere l'universo su larga scala, ma solamente uno di questi era in accordo con le osservazioni.

All'inizio degli anni 50 George Gamow assunse che la temperatura dell’universo primordiale doveva essere molto alta e vi inserì la teoria riguardante la “sintesi degli elementi leggeri”, questo tipo di cosmologia fu chiamata “Cosmologia del Big Bang” di cui tutti noi abbiamo sentito parlare.

Con il lavoro di Lishitz, basato sulla formazione delle galassie, si è dato poi il via ad un nuovo metodo per definire la struttura dell'universo; nasce la “Cosmologia Moderna”. In pratica aggiungendo delle piccole “perturbazioni” ai modelli matematici descritti dalla Cosmologia Classica si cerca di descrivere, dalla ricostruzione dello spettro di potenza primordiale di queste perturbazioni, la formazione delle strutture da noi osservate nel cosmo; il concetto di “Universo perturbato” divenne necessario ed importante. Le stime di questi spettri di potenza, che possiamo immaginare come dei grafici matematici particolari, il cui dominio di esistenza poggia sulla frequenza, cominciarono negli anni 60 con J. Peebles a Princeton sino ai nostri giorni; durante l'intero lavoro furono prese in considerazione milioni di galassie.

Gli obiettivi principali della Cosmologia Moderna sono stati fondamentalmente due: il primo riguarda la determinazione di vari parametri cosmologici e riuscire poi ad interpretare la dinamica dell’universo; il secondo, anch'esso molto importante, è basato sullo studio dell’andamento temporale degli stessi parametri. Questi due punti però sono stati posti in un contesto di ricerca scientifica non perfettamente adeguato vista la presenza, nei risultati, di un ordine di incertezza troppo elevato. L’elevata imprecisione è stata apportata dal fatto che il primo studio è stato preso in considerazione osservando il vicino universo mentre per il secondo lo studio venne fatto esplorando l'universo ad un redshift cosmologico pari a z ≤ 4. In cosmologia il redshift (spostamento verso il rosso) non va inteso come un semplice spostamento della frequenza di un’onda per effetto Doppler, ma va inteso considerando l’espansione dello spazio-tempo e quindi le leggi della relatività generale soprattutto per valori di z maggiori di 1.  In questo contesto z è dipendente sia dalla distanza, tra sorgente e osservatore, che dall'espansione del cosmo stesso. Non è semplice capirne il concetto, ma pensate che a grandi valori di z corrispondono grandi distanze cosmiche; a queste grandi distanze, per z molto maggiore di 1,  le incertezze sperimentali cominciano a manifestare il loro peso in modo sempre più marcato. Il rendimento della Cosmologia Moderna è stato quindi quantitativamente incerto, possiamo solamente notare in modo qualitativo che essa ci ha offerto la possibilità di superare in cosmologia molti problemi precedentemente irrisolti. Con l'uso dei vecchi metodi sperimentali, spingendo l’osservazione del cosmo a redshift sempre maggiori porta a problemi di incertezza inevitabili, a partire ad esempio dall'angolo di vista, dal rumore termico e quantistico; il bisogno di un nuovo approccio si è reso quindi necessario.

Ciò che oggi ha contribuito a completare e migliorare i metodi di osservazione in cosmologia è stato il netto sviluppo della sensibilità per quanto riguarda la strumentazione a nostra disposizione. Questo nuovo tipo di cosmologia, la "Cosmologia di Precisione", ha praticamente gli stessi obiettivi della Cosmologia Moderna ma considerati in una diversa impostazione di lavoro. Lo studio delle fluttuazioni di densità, per esempio, viene eseguito sulla superficie di ultimo scattering (LSS: Last Scattering Surface) che è posta ad un redshift cosmologico di circa z = 1000, ed il lavoro sperimentale viene e deve essere fatto ad alta precisione. Per la Cosmologia Moderna questi valori per il redshift erano impensabili dal punto di vista sperimentale, più lo z è grande più ci avviciniamo all'istante in cui è avvenuto il Big Bang e quindi si osserva l’universo sempre più indietro nel tempo. La superficie di ultimo scattering equivale a quei punti dello spazio-tempo ove è avvenuto l'ultimo disaccoppiamento tra radiazione e materia. I fotoni che si sono liberati dal continuo urto con la materia costituiscono la CMBR stessa che oggi rileviamo. E' affascinante pensare che questi fotoni siano così antichi e che provengano da questa sorta di barriera-superficie ove infatti non è possibile osservare oltre con l'uso delle radiazioni fotoniche. Per spingerci più in là di questa superficie si dovrà passare alla rivelazione della radiazione cosmica basata sui neutrini, particelle che si scissero dalla materia ancor prima dei fotoni, oppure all'osservazione delle onde gravitazionali le quali potrebbero fornirci dati sia a partire dal Big Bang stesso che addirittura per istanti subito prima; ma la precisione osservativa deve aumentare a dismisura.

In effetti non si sa con certezza quando la Cosmologia di Precisione sia nata, siamo sicuri che la scoperta della “radiazione di fondo cosmico” (CMBR: Cosmic Mirowave Background Radiation) da parte di Penzias e Wilson nel 1965 ha aperto la strada alla nuova cosmologia. Alcuni cosmologi pensano che sia nata dalla scoperta della CMBR [...]

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9 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 10 novembre 2015
    • Alessandro Morgia Alessandro Morgia 12 novembre 2015
  2. Emanuele Bonanni Emanuele 11 novembre 2015
    • Alessandro Morgia Alessandro Morgia 12 novembre 2015
  3. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 12 novembre 2015
  4. hazzino 12 novembre 2015
    • Alessandro Morgia Alessandro Morgia 13 novembre 2015
  5. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 12 novembre 2015

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