Un viaggio di 13 miliardi di anni seduti sul divano – finale di stagione –

Nelle puntate precedenti, abbiamo imparato a conoscere uno strumento fondamentale della Cosmologia: la radiazione cosmica di fondo (CMB).

Come abbiamo visto, materia e radiazione sono inizialmente una sorta di tutt’uno, con i fotoni che sono continuamente diffusi nel plasma di elettroni e protoni liberi (se volete, “rimbalzano” in un ping pong cosmico tra le particelle).

Ma, man mano che l’Universo si espande, la sua temperatura cala, fino a che non prevale l’attrazione elettrostatica tra protoni ed elettroni e si formano i primi atomi di idrogeno che  non riescono più a diffondere i fotoni come facevano prima i loro costituenti, perciò la radiazione è ora libera di fuggire. 

Questi primi fotoni liberi sono quelli che costituiscono la CMB, di cui in questo contributo esaminiamo la polarizzazione.

Il momento in cui i fotoni riescono a svincolarsi costituisce quasi una parete (la superficie di ultimo scattering) oltre la quale non possiamo vedere le onde elettromagnetiche emesse dietro ad essa. 

La teoria e la successiva scoperta delle anisotropie (differenze di temperatura) del fondo cosmico a microonde ha avuto grande impatto sullo sviluppo della cosmologia del modello del Big Bang attualmente in auge.

Fra le altre predizioni di questa teoria, la polarizzazione del fondo è una diretta conseguenza dell’essere anisotropo.

La polarizzazione rappresenta la particolare proprietà di un’onda di oscillare in una direzione precisa: nel caso delle onde elettromagnetiche, rappresenta la direzione in cui oscilla il suo campo elettrico. 

Figura 1: Un’onda non polarizzata propaga verso sinistra attraverso un polarizzatore lineare e acquisisce una direzione di oscillazione (polarizzazione) definita (credit Tomas W. Cronin)

Alla superficie di ultimo scattering è molto probabile che avvenga uno scontro tra un fotone (già liberato nella formazione di un atomo di idrogeno) ed un elettrone invece ancora libero. Questa interazione causerà una deviazione dell’onda elettromagnetica, che avendo una direzione privilegiata, risulterà con un campo elettrico oscillante in una direzione ben precisa, cioè polarizzata. Ora, se la distribuzione di fotoni è isotropa (cioè uguale in ogni direzione), è lecito aspettarsi che, provenendo da tutte le direzioni in uguale numero, la distribuzione di fotoni deviati non sia polarizzata, dato che al netto di molte interazioni la media delle direzioni sarà nulla.

Immaginiamo di essere al luna park sulla pista degli autoscontri con un veicolo molto più leggero di tutti gli altri (proprio come un fotone alla superficie di ultimo scattering incontra elettroni “pesanti”). Se subissimo un solo urto, procederemmo nella direzione data dalla dinamica del singolo urto, cioè retrocederemmo (dato che siamo molto più leggeri). Se subissimo invece molti urti da differenti direzioni alla fine è come se fossimo fermi. Da ultimo, se subissimo molti urti da direzioni differenti con una leggera ( 1parte su 100000) preferenza per una direzione, allora procederemmo nella direzione opposta a quella privilegiata.

Poiché le anisotropie sono molto deboli, lo sarà anche la loro polarizzazione. Questa componente, detta modo E di polarizzazione, ha un’intensità media dell’ordine del 10% del segnale di anisotropia ed è e è stato misurato da diversi strumenti a partire dal 2001 e costituisce un’ulteriore prova del modello cosmologico.

Figura 2: Spettro angolare del modo di polarizzazione E come misurato dai più recenti esperimenti (credit Lambda)

Esistono diversi strumenti in grado di misurare la polarizzazione di un’onda. Mi limito a citare il più semplice, cioè uno strumento che è in grado di determinare l’angolo fra il campo elettrico di un’onda e un suo sistema di riferimento a valle di un’antenna. Questo strumento si basa su un dispositivo detto Ortho-mode transducer che  è in grado di scomporre la propagazione di un’onda all’interno di una guida d’onda in due componenti fra loro ortogonali, ricostruendo quindi la direzione di oscillazione del suo campo elettrico.

Figura 3: Schema di funzionamento  (a sinistra, credit J. Zmuidzinas) e immagine (destra, credit Wikipedia) di un ortho mode transducer

Il campo di  polarizzazione del fondo cosmico, a livello teorico può in realtà essere (scomposto?) in 2 diversi contributi, proprio come un campo elettromagnetico, che è costituito da una componente radiale (campo Elettrico) e una tangenziale (campo magnetico B).

Da un lato abbiamo una componente radiale, detta modo E di cui si è  già detto. Viceversa, esiste anche una predizione per l’esistenza di un modo B, cioè avente componente tangenziale.

Figura 4: Pattern dei modi E,B del CMB (credit Wayne Hu)

Questa componente può essere teorizzata solo ipotizzando la presenza di onde gravitazionali che perturbano lo spazio-tempo. Tali perturbazioni generano una direzione di propagazione privilegiata per i fotoni della CMB. Ad oggi, questo meccanismo si spiega solamente con il modello inflazionario dell’Universo primordiale.

I cosmologi sperimentali da anni stanno sviluppando tecnologie almeno mille volte più sensibili di quelle utilizzate per osservare la polarizzazione E del fondo. Finora sono riusciti a produrre solo dei limiti superiori al segnale e questo è dovuto alla “limitata” sensibilità dei loro strumenti ma diversi esperimenti sono in corso o sono sul procinto di partire nei prossimi mesi. Non si sa ancora chi arriverà al traguardo per primo, ma sicuramente chi lo farà vincerà un viaggio a Stoccolma (l’ennesimo Nobel per il CMB) assieme ai teorizzatori dell’inflazione cosmica.

Sebastiano Spinelli

Fonti:

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