I segreti del satellite Planck e la fotografia dell'Universo

I segreti del satellite Planck e la fotografia dell’Universo

COME FUNZIONA IL SATELLITE

Un aspetto molto importante per Planck, e in generale per molti esperimenti di fondo cosmico (CMB) e osservazioni astronomiche, è il modo in cui viene osservato il cielo.


Planck è un satellite che ruota attorno al suo asse (si parla di "spinning satellite") una volta al minuto. L’asse ottico del telescopio di Planck punta a 85 gradi dall’asse di rotazione del satellite. Allora, per ogni direzione dell’asse di rotazione del satellite, il telescopio di Planck osserva un grande cerchio nel cielo. In realtà ogni rivelatore di Planck punta in una sua specifica direzione distante solo pochi gradi da quella dell’asse del telescopio: perciò ogni rivelatore osserva il proprio particolare cerchio in cielo. L’asse del satellite deve puntare dalla parte opposta del Sole affinché il satellite stesso possa essere schermato con i suoi "pannelli" dalle radiazioni del Sole (ma anche della Terra e della Luna), che danneggerebbero gli strumenti (e le osservazioni).


Come descritto in sezione 1.3, Planck non ruota attorno alla Terra ma molto più lontano, ovvero attorno al punto L2, collocato lungo la direzione Sole-Terra, dalla parte opposta del Sole, a 1.5 milioni di Km dalla Terra (1/100 della distanza Sole-Terra). La direzione dell’asse del satellite viene aggiornata per "seguire" il moto di rivoluzione attorno al Sole e mantenersi sempre pressoché lungo la direzione Sole-Terra, ovvero si sposta di circa 1 grado al giorno, o più precisamente di 2 arcominuti ogni 48 minuti circa. Allora i cerchi osservati (per circa 48 volte consecutive) da ogni rivelatore si spostano via via nel cielo e in poco più di 6 mesi la sovrapposizione di questi cerchi copre tutto il cielo.


Riordinando le osservazioni prese cerchio per cerchio si costruisce la mappa del cielo per ogni rivelatore. Combinando insieme i dati e le mappe di tutti i rivelatori che operano alla stessa frequenza di osservazione si ottiene la mappa finale a ciascuna frequenza osservata da Planck. Queste mappe alle 9 frequenze vengono analizzate insieme per ottenere la mappa delle anisotropie (si veda la sezione 4.1) del CMB e quelle di tutte le altre componenti astrofisiche (si veda sezione 5.3). In realtà, l’asse del satellite va un po’ su e un po’ giù (di 7.5 gradi) rispetto alla direzione esattamente opposta al Sole seguendo un moto cicloidale del periodo di 6 mesi. Così tutti i rivelatori possono osservare proprio tutto il cielo. I cerchi descritti da ogni rivelatore si incrociano molte volte in posizioni diverse nel cielo in modo da poter confrontare su questi incroci le osservazioni prese nello stesso punto del cielo ma a tempi diversi e migliorare l’analisi dei dati (si veda la sezione 6.5). Nei suoi 14 mesi di osservazioni garantite, Planck realizzerà per 2 volte la mappa di tutto il cielo e contiamo di poter prolungare la missione per osservare 4 volte tutto il cielo.


I PRECURSORI

E’ possibile determinare con un buona precisione i parametri cosmologici fondamentali che descrivono le proprietà dell’universo, quali la sua geometria e il suo contenuto di materia ed energia? E’ possibile verificare o confutare le teorie che descrivono la nascita e l’evoluzione dell’universo? Molte risposte a questi quesiti sono contenute nelle piccole deviazioni (dette anisotropie) dal valore medio della temperatura del fondo cosmico a microonde (CMB).

Dopo i primi esperimenti da terra e da pallone aerostatico, le osservazioni dallo spazio sono risultate di fondamentale importanza per le osservazioni del CMB perché non risentono dei segnali spuri dell’atmosfera e consentono di osservare l’intero cielo con un solo strumento. Dopo i progetti COBE e WMAP, Planck rappresenta la terza generazione di satelliti finalizzati allo studio del CMB. Planck osserverà il CMB grazie a due strumenti: LFI (Low Frequency Instrument – Strumento a Bassa Frequenza) che opera a frequenze tra 30 GHz (1 cm di lunghezza d’onda) e 70 GHz (4.3 mm) e HFI (High Frequency Instrument – Strumento ad Alta Frequenza ) che opera tra 100 GHz (3 mm) e 857 GHz (0.35 mm). L’ampia copertura in frequenza, la risoluzione angolare e la sensibilità rendono Planck un esperimento unico, in grado di conoscere l’universo con una precisione mai nota prima.

 

 

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Arno Penzias e Robert WIlson (credits: nobelprize.org)

Nel 1964 gli astronomi Arno Allan Penzias e Robert Woodrow Wilson, presso i laboratori Bell, stavano compiendo una serie di osservazioni astronomiche dell’intensità della radiazione nella banda radio (a 7 cm di lunghezza d’onda) proveniente dalla nostra galassia con un’antenna (o horn; si veda sezione 7.4). Le osservazioni della temperatura effettuate dai due scienziati presentavano un eccesso non previsto che non dipendeva dalla direzione in cui si puntava l’antenna. Escludendo una dopo l’altra tutte le possibili cause che potevano giustificare tale segnale anomalo (quali ad esempio radiazioni di origine atmosferica, rumore di origine terrestre dovuto alle attività dell’uomo, emissioni anomale proveniente dalla nostra galassia, emissioni di sorgenti discrete extraterrestri, rumore dovuto all’antenna stessa), non rimase altro che interpretarlo come una radiazione a microonde che permea il nostro universo. Arrivarono così alla scoperta della radiazione cosmica di fondo, che valse ai due ricercatori il premio Nobel per la fisica nel 1978. A seguito della loro scoperta, si iniziarono numerose campagne osservative per studiare le proprietà di questo segnale alle diverse lunghezze d’onda.

 

 

 

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John Mather e George Smoot (credits: nobelprize.org)

Quello di Penzias e Wilson non fu l’unico Nobel assegnato a ricerche che riguardano la radiazione cosmica di fondo. Nel 2006 John C. Mather e George F. Smoot si divisero il premio Nobel in fisica per aver determinato che il CMB ha uno spettro ben descritto da quello di corpo nero, formalizzato da Max Planck, e per la scoperta delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo a microonde. Tutto ciò fu possibile grazie al satellite COBE (COsmic Background Explorer) della NASA (National Aeronautics and Space Administration – Amministrazione Nazionale dell’Aeronautica e dello Spazio), l’agenzia spaziale statunitense. COBE fu lanciato in orbita nel 1989 dopo 15 anni dalla sua prima proposta. Le sue misure sono alla base della Cosmologia Moderna poiché (per la prima volta) hanno caratterizzato con precisione la radiazione cosmica di fondo. Infatti COBE ha dimostrato che tale radiazione ha uno spettro quasi perfettamente di corpo nero che emette ad una temperatura di 2.725 +/- 0.002 K (corrispondente all’eccesso di temperatura che inizialmente Penzias e Wilson non riuscivano a spiegare!) e che è eccezionalmente ma non perfettamente isotropa, ovvero ha sostanzialmente la stessa temperatura indipendentemente dalla direzione in cui la si osserva ma presenta delle piccole deviazioni, dette anisotropie, in una parte su centomila. Queste due proprietà hanno confermato la teoria del Big Bang, che prevede che l’universo abbia vissuto una fase in cui era incredibilmente caldo, denso e non trasparente (si veda Capitolo 5). La scoperta delle anisotropie fu commentata da Stephen Hawking come "la più grande scoperta scientifica del secolo".

 

 

 

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Il tragitto di BOOMERANG (credits: The Boomerang Experiment)

Vari esperimenti rivolti alla misura delle proprietà della radiazione cosmica di fondo, si sono succeduti dopo i successi di COBE. Citiamo qui BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation ANd Geophysics), una collaborazione italo-americana, coordinata per l’Italia da Paolo de Bernardis, che ha ottenuto considerevoli risultati. Si tratta di un particolare pallone, gonfio di un gas più leggero dell’aria, che sale fino ad una quota di 37 Km portando con sé opportuni rivelatori (bolometri). A tale altezza l’atmosfera è estremamente rarefatta per cui non contamina significativamente le misure del CMB. I voli di BOOMERanG sono durati 10.5 giorni e sono stati effettuati sul continente Antartico per sfruttare le correnti vorticose della stratosfera polare (Vedi figura). I rivelatori di BOOMERanG hanno consentito di creare una mappa delle anisotropie di CMB ben 40 volte più precise di quelle di COBE, su un’area di cielo di qualche decina di gradi di lato. Queste misure hanno permesso di ricavare importanti parametri del nostro universo come ad esempio la geometria: essa risulta (entro gli errori di misura) "piatta" cioè euclidea, dove la somma degli angoli interni di un triangolo è 180 gradi. BOOMERanG ha volato due volte sull’Antartide: nel 1998, misurando le anisotropie in temperatura e nel 2003 misurando le anisotropie sia in temperatura che in polarizzazione.

 

 

La missione Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, in italiano Sonda per le Anisotropie nelle Microonde (WMAP per gli amici), originariamente si chiamava MAP. E’ poi stata rinominata WMAP in onore di David T. Wilkinson, professore di fisica di Princeton e scienziato sperimentale di MAP, oltre che fondatore della precedente missione NASA (COBE), deceduto nel 2002.

 

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La mappa delle anisotropie ottenuta da WMAP in 5 anni (credits: WMAP/NASA)

WMAP è un satellite della NASA, proposto nel 1995 e lanciato nel 2001 che continuerà ad acquisire dati fino al 2010. Nella Figura si trova una mappa delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo in temperatura ottenuta da WMAP dopo 5 anni di osservazioni. Si tratta in pratica di una "foto" dell’universo appena nato, cioè 380000 anni dopo la sua nascita, quando rilasciò la radiazione cosmica (si veda sezione 5). Questa mappa rivela i semi primordiali delle strutture cosmiche che successivamente sono cresciuti per formare le galassie (molte delle quali possono essere osservate con i telescopi). I dati di WMAP permettono di verificare le teorie sull’origine di tali semi primordiali e costituiscono una preziosa miniera di informazioni per la cosmologia. Da essi possiamo ricavare le dimensioni, il contenuto di materia, la geometria e il destino stesso dell’universo. Questi parametri, noti con una elevata precisione, hanno contribuito alla costruzione del cosiddetto Modello di Concordanza. Si tratta di un modello cosmologico minimale, costituito da sei parametri cosmologici, su cui i dati di diverse osservazioni di cosmologia e astrofisica concordano.

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