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Osservazione spaziale: Planck svela un Universo (quasi) perfetto

 Oggi, 21 Marzo 2013, il satellite Planck dell’ESA (agenzia spaziale europea) rende pubblici i suoi primi risultati cosmologici, rilasciando la mappa a tutto cielo della radiazione di fondo cosmico a microonde

(in inglese Cosmic Microwave Background, CMB).

Planck è la prima missione spaziale europea volta all’osservazione della CMB. La CMB è la radiazione
“fossile” che rimane da una fase primordiale densa e calda dell’evoluzione cosmica (modello del Big Bang)
e ci offre quindi un’ “istantanea” di come era l’Universo all’età di “appena” 380.000 anni, circa 13
miliardi di anni fa. Le minuscole (1 parte su 100.000) fluttuazioni nella temperatura della CMB sono state, fin
dalla loro scoperta avvenuta nei primi anni ’90, al centro della ricerca in ambito cosmologico, poiché tramite
esse gli scienziati sono in grado di ottenere informazioni sull’origine ed evoluzione dell’Universo. Queste
fluttuazioni corrispondono a regioni con densità leggermente differente, e rappresentano i “semi” da cui
hanno avuto origine le strutture che vediamo nel cielo, in parole povere le galassie.

Planck è stato lanciato nel Maggio 2009 e ha osservato il cielo per più di 2 anni e mezzo. Il satellite Planck
ospita al suo interno due strumenti complementari, lo strumento a bassa frequenza (Low Frequency
Instrument, LFI, ancora operativo) e quello ad alta frequenza (High Frequency Instrument, HFI, spento
a Gennaio 2012). Nazzareno Mandolesi dell’Agenzia Spaziale Italiana e professore a contratto presso
il Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Ferrara, è il principal investigator di LFI.
Jean-Loup Puget di IAS/Paris Sud è alla guida di HFI. Planck è il risultato di più di 20 anni di lavoro, ed è
costato un euro ad ogni cittadino europeo.

La mappa rilasciata oggi dalla collaborazione Planck, basata sui primi 15 mesi e mezzo di dati presi dal
satellite, è la più dettagliata mappa della CMB che sia mai stata ottenuta. In generale, le informazioni
estratte da Planck rappresentano una eccellente conferma del modello standard della cosmologia. Tuttavia,
proprio in virtù della elevatissima precisione della mappa di Planck, permettono anche di rivelare delle
inconsistenze che potrebbero richiedere nuova fisica per essere spiegate.

Uno dei risultati più sorprendenti è che il rapporto tra le fluttuazioni della CMB a grandi e piccole scale
angolari non è quello che ci si aspetterebbe sulla base del modello cosmologico standard. Inoltre, c’è una
asimmetria tra le temperature in direzioni opposte del cielo. Infine, c’è una regione fredda che si estende su
una regione di cielo più grande di quanto atteso. Queste ultime due “anomalie” erano già state suggerite dal
predecessore di Planck, il satellite WMAP della NASA, ma erano state ignorate a causa dei dubbi sulla loro
origine cosmologica.

“Il fatto che Planck abbia individuato con tale precisione queste anomalie cancella ogni dubbio sulla loro
realtà; non si può più dire che esse siano artefatti delle misure. Sono reali e dobbiamo cercarne una
spiegazione”, dice Paolo Natoli, ricercatore dell’Università di Ferrara.

“Il nostro fine ultimo dovrebbe essere quello di costruire un nuovo modello che predica le anomalie e
possibilmente le colleghi tra loro. Ma è ancora presto; per ora, non sappiamo se questo sia davvero possibile
e quale tipo di nuova fisica sia necessaria. E questo è eccitante”, aggiunge Mandolesi.

Al di là delle anomalie, tuttavia, i dati di Planck confermano in maniera spettacolare quello che ci si
aspetta dal Modello Cosmologico Standard, il modello, relativamente semplice, che descrive l’Universo,
permettendo agli scienziati di estrarre valori precisi delle quantità che lo caratterizzano.

La materia normale, che compone le stelle e le galassie, contribuisce solo al 4.9% del contenuto totale di
massa e energia dell’Universo. La cosiddetta materia oscura, contribuisce per il 26.8%; il restante 68.3%,
meno di quanto si pensasse sulla base dei precedenti esperimenti, è dato dalla energia oscura, una forza
misteriosa che si pensa possa essere responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo.

Infine, i dati di Planck fissano un nuovo valore per il tasso di espansione dell’Universo, noto come costante
di Hubble. Il valore stimato, 67.15 km/s/Mpc, è inferiore al valore standard inferito in precedenza. I dati
implicano che l’età dell’Universo è di 13.82 miliardi di anni.

“Con le mappe del cielo a microonde più accurate e dettagliate che siano mai state prodotte, Planck sta
rivelando un nuovo quadro dell’Universo che ci spinge ai limiti delle teorie cosmologiche attuali”, dice
Massimiliano Lattanzi, assegnista di ricerca presso l’Università di Ferrara. “Osserviamo un accordo quasi
perfetto con il modello standard della cosmologia, ma con aspetti stimolanti che ci spingono a riesaminare

alcune delle nostre assunzioni di base”, aggiunge Marco Guidetti, anche lui assegnista di ricerca presso la
stessa Università.

“Planck ci fornisce la più stringente conferma dell'inflazione, la fase primordiale di espansione accelerata
dell’Universo. Ora occorre però comprendere che cosa l'abbia messa in moto, pochissimi istanti dopo il Big
Bang”, osserva Natoli.

“Oggi, grazie a Planck, sappiamo che il 26,8% della densità totale, cioé 1/5 in più di quello che pensavamo
prima, è costituito da particelle di materia oscura, che non sono descritte dal modello standard della fisica
delle particelle. Rimane da capire quale teoria possa descrivere queste misteriose particelle”, gli fa eco
Lattanzi.

“Queste sono le domande con le quali una nuova fisica, situata all’intersezione fra cosmologia e fisica
fondamentale, dovrà confrontarsi negli anni a venire”, conclude Mandolesi.

Planck è una missione ESA, ma non sarebbe stata possibile senza il contributo di Istituti di ricerca e
Università di tutto il mondo. In particolare, fanno parte della collaborazione Planck circa 400 scienziati
appartenenti a circa 100 istituti di vari paesi, in Europa (Italia, Francia, Spagna, Regno Unito, Germania,
Danimarca,…) Stati Uniti e Canada.

Il nostro Paese ha contribuito alla missione tramite la partecipazione di diversi tra enti, agenzie e istituti di
ricerca, tra cui l’Istituto Nazionale di Astrofisica, il Consiglio Nazionale delle Ricerche, l’Agenzia Spaziale
Italiana, che ne costituisce il principale finanziatore a livello italiano.

“Planck è il risultato dello sforzo congiunto di numerose istituzioni italiane e straniere. Mi fa piacere
sottolineare il contributo fondamentale delle Università italiane e dell’Università di Ferrara nello
specifico, che hanno preparato molti degli scienziati che hanno partecipato al progetto.”, fa notare il Prof.
Roberto Calabrese, Direttore del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Ferrara.
Ricoprono infatti ruoli di leadesrship scientifica in Planck le Università di Milano (Statale), Trieste (Sissa
e Università), Roma “Sapienza”, Padova e ovviamente l’Università di Ferrara, a cui afferiscono, presso
il succitato Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra, il principal investigator di LFI Prof. Nazzareno
Mandolesi (professore a contratto), il Dr. Paolo Natoli (ricercatore), il Dr. Massimiliano Lattanzi e il Dr. Marco
Guidetti (assegnisti di ricerca).

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