Questo articolo è stato inserito nella sezione d'archivio "Radiazioni di fondo: quante sono?"

 

Torniamo ancora sul rumore cosmico di fondo, la prima luce dell'universo, cercando di visualizzarlo in un modo visivamente diverso dal solito.

Parliamoci chiaro: non è facile disegnare uno spazio a tre dimensioni con l'aggiunta dell'ulteriore dimensione tempo. C'è poco da fare, per tanti sforzi che si facciano, non è ancora nato chi sia riuscito a rappresentare lo spaziotempo su un foglio di carta. Per poterlo fare, nascono delle approssimazioni o -meglio- delle strategie operative che permettono di escludere almeno una delle quattro coordinate. Ne vengono fuori palloncini che si gonfiano o "salamoni" vari (come ha detto giustamente il nostro amico Mario).

Ognuno di loro, però, trascina con sé un errore veniale o, quantomeno, presuppone uno sforzo di immaginazione che spesso si discosta troppo dalla visione dell'Universo quando cala la notte, sia che si utilizzino  i nostri occhi sia che si abbiano a disposizione i telescopi, capaci di scrutare il Cosmo in  varie lunghezze d'onda.  Quali sono i problemi? Il più importante è che la luce impiega del tempo per arrivare a noi e, soprattutto, che essa deve provenire da qualsiasi direzione. Ed ecco che il modello a palloncino  paga il suo scotto. L'Universo non è, infatti, l'intero palloncino, ma solo la sua superficie, dato che il raggio del palloncino è una dimensione che viene lasciata al tempo.

No, non pensiate di essere sprovveduti. Il pensare un Universo a tre dimensioni ridotto a una superficie a due dimensioni non è un passaggio facile da digerire. Non parliamo poi del salamone che è ancora meno intuitivo. Vi è poi da comprendere bene cosa rappresenta ciò che vediamo oggi. Ripetiamolo: tutto ciò che riesce finalmente a colpire il nostro occhio. Va, quindi, ben compresa la differenza tra un istante ben preciso dell'intero Universo (supposto, ad esempio, omogeneo e quindi "uguale" dappertutto) e un evento peculiare, come, ad esempio, una supernova (cosa, come e quando si osserva nell'Universo lo abbiamo sviscerato QUI).

Prima di continuare, diciamo che questo articolo (che dice ben poco di nuovo, ma cambia solo il modo di affrontare visivamente un problema) vorrebbe non solo avvicinarci a ciò che si vede realmente attorno a noi, ma soprattutto chiarire molto ben cosa significhi l'immagine del Rumore Cosmico di Fondo.

Nel primo caso, ad ogni istante, vediamo l'intero Universo com'era quando la sua luce ha iniziato il suo percorso verso di noi, nel secondo vediamo la luce di un singolo oggetto, con delle coordinate ben precise: o siamo pronti a cogliere quell'attimo oppure non potremo più osservarlo (a parte lo sfruttamento delle immagini multiple causate dall'effetto lente).

Un esempio classico di Universo visto nel suo insieme in un dato istante (che può essere ieri, oggi o domani) è il rumore cosmico di fondo. Sì, lo so, queste cose le abbiamo già dette e ripetute in molte salse, più o meno "azzeccate". Oggi, vorrei proporvi una visione che personalmente mi sembra più vicina alla realtà, in cui, soprattutto, non si perde per strada la visione tridimensionale. E' un tentativo del tutto personale e sarete voi a giudicare quanto vi abbia aiutato oppure no. Resta, comunque, il fatto che anche essa deve, comunque, nascondere un po' di polvere sotto al tappeto.

Al momento, possiamo anche evitare di fare espandere l'Universo, dato che sarà in fondo una "piccola" complicazione in più che si ripercuote praticamente solo sulla variabile tempo. Dovendo sacrificare una coordinata, questa volta scegliamo proprio il tempo. In fondo, nella nostra vita normale ci rendiamo conto del suo passaggio solo attraverso un orologio, biologico o artificiale che sia. Per far ciò, allora, disegniamo il nostro Universo come realmente è: una sfera. Possiamo farlo? Sicuramente sì. Innanzitutto, esso non è tutto l'Universo, ma solo quello che potrebbe essere visto da noi in un certo istante.

Immaginiamo, quindi, di riempire la nostra sfera con un infinità di punti, che potrebbero rappresentare la materia che lo riempie. Potremmo dire che sono le particelle elementari, o le singole stelle o quello che volete, magari anche i campi o l'etere. Ogni particella o "onda", dato che deve essere "vista", deve necessariamente emettere luce. Sappiamo benissimo che la luce si propaga in tutte le direzioni e quindi anche nella nostra. Sbaglio, allora, a porre noi, ossia la Terra, al centro di questa sfera piena di materia? Assolutamente no, dato che, cambiando posizione cambieremmo solo la sfera, ma il suo raggio sarebbe sempre lo stesso.

Conosciamo il raggio? Assolutamente no... tuttavia, possiamo dividere la nostra sfera in tante sfere concentriche, come dei gusci, e dire che ognuna di queste sfere è quella che ha come raggio la distanza (veramente una distanza questa volta e non un tempo, come nel palloncino) degli oggetti che hanno inviato la loro luce in  un dato istante della loro vita e che ci raggiunge tutta assieme oggi, domani o dopodomani. Se un oggetto di questa superficie sferica fosse una supernova, la sua distanza, ossia il raggio della sfera a cui appartiene, potrebbe colpirci in un dato istante, ossia oggi e non ieri oppure domani.

Ovviamente, avendo sacrificato l'asse del tempo a favore della terza dimensione spaziale, questa immagine tridimensionale si riferisce a un istante ben preciso della vita dell'Universo, noi compresi. Dato che noi siamo nati, come pianeta, soltanto 4.5 miliardi di anni fa, al centro di questa sfera, per i primi 9 miliardi di anni non c'era nessun osservatore capace di ricevere i segnali luminosi dal resto dell'Universo. Ribadiamo ancora che noi possiamo tranquillamente sistemarci al centro di tutte queste sfere concentriche senza temere di considerarci "speciali"  rispetto a qualsiasi altro punto. Ogni punto ha il suo Universo che può essere molto simile al nostro oppure non avere niente in comune.

Cerchiamo di disegnare una figura che segua questa configurazione a un certo tempo t₀. In particolare, cerchiamo di rappresentare l'Universo com'era 380 000 anni dopo il Big Bang, ossia nel preciso istante in cui ha avuto via libera la prima luce. Ciò vuole anche dire che questa prima luce è la più antica che ci abbia potuto raggiungere e questo sarà vero anche nel futuro. Prima di lei c'era solo buio, anche se l'Universo era già nato. Una figura pienamente alla nostra portata: noi al centro e tutta la materia attorno a noi anche, se, in quel momento noi  la nostra galassia non eravamo ancora nati. Ovviamente, anche se ci fossimo stati, non avremmo visto ancora niente, dato che la luce è molto lenta e l'Universo, seppure più piccolo di quello odierno, a causa dell'espansione, era già molto grande. Questa figura sarebbe difficile da comprendere? Non penso proprio, perché non sarebbe altro che un punto centrale (la nostra posizione) e tantissimi punti attorno a noi a distanza qualsiasi. Insomma, il vero Universo in un qualsiasi momento della sua esistenza. La stessa figura che farebbe anche un bambino se gli chiedessimo di disegnare il Cosmo che ci circonda.

Possiamo mettere un limite esterno a questo Universo al tempo to? Potremmo anche farlo, anche se non sappiamo quale sia e se abbia davvero una forma "sferica". Avendo, però, esclusa la sua espansione questa superficie esterna della sfera prima o poi potrebbe anche vedersi, ma sapendo che esiste l'espansione essa scapperebbe da noi fin da subito, magari a velocità maggiore di quella della luce. Meglio lasciare indistinti i suoi confini, dato che, in fondo, ci interessa relativamente poco. Quello che ci interessa, infatti, è solo la parte di esso la cui luce ci raggiunge in questo momento provenendo da TUTTE le direzioni (sopra, sotto, da destra, da sinistra,... addio Universo piatto che tanto ci hai dato fastidio!).

Nella sfera dell'Universo al tempo t_0, tutta la materia ha la stessa età, e quindi non abbiamo nessun problema a disegnare una sfera in tre dimensioni, come fatto in Fig. 1, ricordando che i suoi confini reali poco ci interessano.

Al suo interno tracciamo tre sfere: una rossa più piccola, una nera un po' più grande e una blu ancora più grande. Attenzione adesso -e scusate se mi ripeto- ognuna di queste sfere appartiene all'universo di 380 000 anni dopo il Big Bang e quindi ognuna delle tre sfere potrebbe dare una rappresentazione realistica dell'Universo, in qualsiasi direzione lo si guardi: esattamente quello che facciamo noi quando ammiriamo la SFERA celeste. Tuttavia, delle tre sfere, solo una di queste ha inviato la sua luce verso di noi a una distanza tale (il suo raggio) da colpirci proprio OGGI. Quella rossa era troppo vicina e quando ha raggiunto il centro, la Terra non c'era ancora. Quella blu, invece, pur partendo nello stesso momento di quella rossa (ossia pur facendo parte dell'Universo al tempo t₀, sta ancora viaggiando). Solo quella nera ci colpisce OGGI ed è quella che proviene dall'Universo Osservabile (infatti, lo osserviamo), corrispondente alla nostra posizione odierna.

La sfera nera è ciò che vediamo OGGI dell'Universo che ha tutto la stessa età, ossia l'Universo relativo alla sua prima luce.

Non confondiamo, però, ciò che vediamo oggi attorno a noi con quello che vediamo oggi relativo ad una certa età t₀. Una cosa è dire che oggi vediamo oggetti vicini e lontani e quindi che ci hanno inviato la loro luce in tempi diversi, anche se ci colpiscono solo oggi, e un'altra è parlare di Universo corrispondente alla sua configurazione in un ben preciso istante della sua vita.

Immaginiamo di metterci degli occhiali speciali e di riuscire a eliminare dal cielo tutte le luci che sono state inviate in tempi più recenti rispetto alla prima luce. Bene, cosa vedremmo? Solo e soltanto le luci partite tutte assieme, che vedremmo, comunque, in tutte le direzioni. In parole povere, gli occhiali sarebbero capaci di vedere solo le microonde e di conseguenza solo le luci di 380 000 anni dopo il Big Bang.

Noi siamo al centro della sfera e non ci è difficile misurare la posizione di quelle luci nate e rappresentarle tutte assieme in un foglio di carta, come fosse un mappamondo visto da "dentro", utilizzando un qualche tipo di proiezione.

Bene, questo è quello che ha fatto un satellite come Planck che ci ha mostrato, ripetiamolo ancora, tutto l'Universo osservabile OGGI, ma che è relativo, però, solo a un certo  istante della sua vita. In questo modo, l'immagine del rumore di fondo acquista un significato ben preciso ed è estremamente normale che si presenti a noi, in Fig. 2, sotto forma di una "sfera celeste", dato che rappresenta, in ogni punto, la direzione di una certa particella -o quello che preferite- all'atto del suo invio del segnale luminoso. Una mappa del cielo molto selettiva, dato che estrae dal tutto solo le sorgenti che hanno la stessa età.

Ieri, la visione dell'Universo sarebbe stata un po' diversa, così come lo sarà domani, ma si riferirà SEMPRE alla stessa data ben precisa della sua storia.

Spero che questa rappresentazione, molto più realistica e facilmente riconducibile alla visione normale del cielo, abbia aiutato e non confuso. Facciamo un ulteriore esempio per cercare di aiutare nella riflessione.

Potremmo fare qualcosa del genere anche per un altro istante dell'Universo? Difficile... per poterlo fare dovremmo cercare di vedere soltanto tutti gli oggetti nel momento in cui uno speciale direttore d'orchestra abbia dato il via con la sua bacchetta. Potremmo farlo a posteriori, ossia dopo aver stimato in modo corretto l'età degli oggetti osservati e aver disegnato solo loro, creando una mappa relativa a un certo istante.

Capite, quindi, il grande vantaggio del rumore cosmico di fondo? In qualsiasi momento venga osservato si sa che è stato inviato in un certo istante ben preciso e che tutto ciò che vediamo ha la stessa età. Una caratteristica fantastica per studiare eventuali variazioni da punto a punto (spaziale e non temporale).

Viva il rumore cosmico di fondo, allora! Adesso, forse, potremo avvicinarci di nuovo a lui e parlare un po' di... fantascienza e di misteri ancora irrisolti (sempre che non siano dovuti al caso o alla solita voglia di prenderci in giro del Cosmo). Questo piccolo viaggio fantascientifico ci permetterà, inoltre, di accennare a un metodo molto utile per studiare le variazioni periodiche o quasi periodiche, l'analisi di Fourier.

Continua...