Nemesis Project Research: L’Universo di Planck

Il cielo a microonde visto da Planck

Quest'immagine multi-frequenza dell'intero cielo a microonde è ottenuta usando dati di Planck, che coprono lo spettro elettromagnetico da 30 GHz a 857 GHz. Il disegno a chiazze della CMBR, la radiazione cosmica di fondo a microonde, le cui microscopiche fluttuazioni riflettono le variazioni primordiali di densità dalle qualli si sono originate le strutture cosmiche odierne, si può vedere chiaramente nelle regioni ad alta latitudine della mappa.
La mappa è stata ottenuta dai dati raccolti da Planck durante la sua prima survey a tutto cielo, e comprende il periodo osservativo che va dall'agosto 2009 al giugno 2010. L'immagine rappresenta una versione a risoluzione ridotta dell'intero insieme di dati.
Crediti: ESA, HFI & LFI consortia (2010)

La radiazione cosmica di fondo e la Via Lattea: sono le due protagoniste indiscusse della mappa a tutto cielo ottenuta da Planck—il satellite dell’ESA per lo studio dell’origine dell’Universo—nel corso della sua prima survey, completata di recente. «Questo è il momento per il quale Planck è stato concepito», dichiara il direttore della sezione ESA di Scienza ed Esplorazione Robotica, David Southwood. «Non stiamo offrendo risposte. Stiamo aprendo le porte di un Eldorado in cui gli scienziati potranno andare a caccia di pepite d’oro, che li porteranno ad approfondire la nostra comprensione su come l’Universo è nato e su come funziona. L’eccezionale qualità di quest’immagine è un tributo agli ingegneri che hanno costruito e gestito Planck. Ora è il momento di dare il via al raccolto scientifico».

PORTARE ALLA LUCE IL DIPINTO NASCOSTO

La radiazione di fondo a microonde (CMB), o radiazione fossile, ci offre la più antica immagine possibile dell’Universo: appena 380mila anni dopo il Big Bang. Un’immagine che, nella mappa di Planck, appare in gran parte avvolta nella foschia introdotta dalle sorgenti diffuse della Via Lattea, polvere e gas interstellare innanzi tutto. Un’immagine nascosta nella nebbia, dunque, come spiega Jan Tauber, project scientist di Planck: «La struttura granulare della CMB si può distinguere nettamente nelle regioni ad alta latitudine della mappa, là dove l’emissione locale è più debole. Scendendo a latitudini più basse, invece, una grande porzione di cielo è dominata dal contributo della Via Lattea, che risplende con vigore sul piano galattico e si estende, seppur con minore intensità, anche al di sopra e al di sotto di esso».

Ma proprio come talora avviene con alcuni capolavori, celati per secoli sotto ad altri dipinti e in seguito restituiti al loro originale splendore dalla tecnologia e dalla paziente opera dei restauratori, anche la mappa dell’Universo primordiale è prossima a emergere nella sua interezza. Nel caso della mappa di Planck, la separazione delle due componenti—il fondo cosmico da una parte e le sorgenti galattiche dall’altra—è affidata a complessi software di analisi ed elaborazione delle immagini, sviluppati ad hoc dagli scienziati del team di Planck. Algoritmi resi possibili grazie alla risoluzione e alla sensibilità senza precedenti dei dati raccolti dal satellite, e in particolare grazie alla disponibilità di ben nove canali a diverse lunghezze d’onda. Proprio questo ampio spettro di frequenze—dai 30 agli 857 GHz—permette di «sollevare il dipinto» più recente (il contributo galattico, preziosissimo per gli astrofisici) senza danneggiare quello sottostante (il fondo cosmico, sul quale i cosmologi non vedono l’ora di mettere le mani). Ottenendo così due «tele» indipendenti ed entrambe di valore inestimabile.

«La mappa del cielo a microonde, ottenuta combinando tutte e nove le frequenze operative di Planck, fornisce i primi risultati astrofisici visivi della Via Lattea. Questo, da solo, è già un risultato sorprendente, ma non è finita qui. Se il “buon giorno si vede dal mattino”…. nel background potrebbero emergere piacevoli sorprese dalle misure di polarizzazione delle anisotropie del fondo cosmico», auspica Barbara Negri, responsabile dell’Agenzia spaziale italiana per l’Osservazione dell’Universo.

La mappa di Planck con alcune sorgenti e il piano galattico in evidenza

In questa versione della mappa di Planck sono evidenziate in sovraimpressione alcune sorgenti astrofisiche e il contorno del piano galattico, qui delineato in base all'emissione di CO, che traccia il gas molecolare più denso della Via Lattea (vedi la "CO Survey" di Dame, Hartmann & Thaddeus, 2001, ApJ, 547, 792).

Qui, come nell'imagine originale, è evidente nella banda centrale il piano della nostra Galassia. Un'ampia porzione dell'immagine è dominata dall'emissione diffusa del suo gas e della sua polvere.

Crediti: ESA, HFI & LFI consortia (2010), T. Dame (2001).

LA MAPPA DEL BIG BANG E L’INFLAZIONE COSMICA AL LINGOTTO DI TORINO

Di questa mappa eccezionale parlerà oggi a Torino, nel corso di una conferenza di ESOF2010 dedicata all’origine dell’Universo, Reno Mandolesi, direttore dell’INAF-IASF Bologna e responsabile dello strumento LFI a bordo di Planck. «La CMB, che riusciamo a intravedere dietro il velo di foschia della galassia, è la prima luce dell’Universo. Giunge a noi direttamente dalla sua infanzia, dopo aver viaggiato per circa 14 miliardi di anni. Le sue strutture granulari, le anisotropie, ci raccontano di una fase primordiale chiamata inflazione cosmica, che ebbe luogo una frazione di secondo dopo il Big Bang. Durante l’inflazione, il volume dell’Universo si è espanso improvvisamente di oltre 40 ordini di grandezza (dunque, non di 40 volte, bensì di un numero di volte inconcepibilmente grande: un 1 seguito da 40 zeri), “stirando” le fluttuazioni quantistiche e “traghettandole” dal regno microscopico a quello macroscopico. Quelle fluttuazioni sono esattamente ciò che vediamo nella mappa di Planck. La CMB, dunque, ci parla della fisica dei primissimi istanti dell’Universo, e di energie migliaia di miliardi di volte superiori a quelle che possono essere raggiunte dagli attuali acceleratori di particelle, come LHC. A innescare l’espansione inflazionistica è stata una “particella misteriosa”, l’inflaton: stando a numerose teorie, l’inflaton può essere collegata al meccanismo di Higgs e al relativo bosone, la cosiddetta “particella di Dio”, responsabile della creazione della materia così come la conosciamo. Credo che arrivare a esplorare i fondamenti della materia attraverso un esperimento di astrofisica, come sta facendo Planck, sia un risultato straordinario del pensiero umano», conclude Mandolesi.

La mappa di Planck con alcuni risultati scientifici in sovraimpressione
In questa versione della mappa di Planck sono presenti, in sovraimpressione, alcuni dettagli di risultati scientifici.
Crediti: ESA, HFI & LFI consortia (2010)

Video:

[Animazione che mostra il modo in cui Planck ha osservato il cielo per arrivare alla sua prima mappa]

Planck in breve e risorse in rete

Il satellite Planck, lanciato nello spazio il 14.05.2009 in combinazione con Herschel, è la missione ESA di terza generazione completamente dedicata allo studio del fondo cosmico di microonde, segnale originato circa 13 miliardi di anni fa. Planck ha l’obiettivo di determinarne la geometria, il contenuto, l’evoluzione e di studiare la fase di espansione parossistica dell’universo, detta “inflazione”, che lo ha portato a dilatarsi in una frazione di secondo a dimensioni paragonabili a quelle attuali e di gettare luce sulla misteriosa materia oscura e energia oscura di cui in gran parte è formato. Il contributo INAF italiano è costituito da uno dei due strumenti, denominato LFI (Low Frequency Instrument), dal Data Processing Center (DPC), finanziato da ASI, e dalle attività teoriche necessarie per l’analisi e l’interpretazione dei dati.

Principali risorse su rete per PLANCK: