Il cosmo visto da Planck

Post on 05-Jul-2015

128 views 3 download

description

Lezione tenuta presso la Scuola Estiva di Astronomia, Osservatorio di St. Barthélemy (AO), 23 luglio 2013

Transcript of Il cosmo visto da Planck

Il cosmo visto da Planck

Aniello MennellaUniversità degli Studi di Milano

Scuola estiva di AstronomiaSt. Barthélemy (AO), 23 luglio 2013

La luce non viaggia a velocità infinita

Un piccolo dettaglio che ci consente di

osservare il passato

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

14 maggio 1964, 11:15 am

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Un corpo nero “perfetto”

Radiazione e materia nel plasma primordiale sono in equilibrio termico

L'espansione causa un redshift nelle lunghezze d'onda ma mantiene la forma inalterata

Questo implica che il fondo cosmico oggi ha uno spettro di corpo nero ad una temperatura 1000 volte inferiore a quella dell'universo al tempo del disaccoppiamento

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Un corpo nero “perfetto”

Ad oggi non sono state rilevate variazioni significative dello spettro da un corpo nero su oltre 5 ordini di grandezza in frequenza

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

“Semi” nell'universo COBE

 DMR

La distribuzione angolare del fondo cosmico è correlata alla distribuzione di densità alla 

superficie di ultimo scattering

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

“Semi” nell'universo WMAP

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Armoniche sfericheArmoniche sferiche

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Analisi di FourierAnalisi di Fourier

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Armoniche sfericheArmoniche sferiche

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Spettro di potenza£104

0

1

2

3

4

1 10 100 1000 10000`

Lo spettro di potenza dà una descrizione statistica della distribuzione angolare delle anisotropie

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Spettro di potenza

4

1 10 100 1000 10000`

Alle grandi scale angolari (> 1°) le anisotropie della CMB danno informazioni sulle perturbazioni scalari nel potenziale gravitazionale prima dell'inflazione

£104

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Spettro di potenza

3

1 10 100 1000 10000`

0

1

4

3

2

£104

Le scale angolari medie (1° < δθ <  5') sono legate a perturbazioni causate da oscillazioni acustiche nel plasma in espansione prima del disaccoppiamento

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Spettro di potenza

0

1

2

3

4

1 10 100 1000 10000`

£104 Al di sotto di 5' le anisotropie 

sono cancellate dalla diffusione dei fotoni durante la ricombinazione.

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Planck, il grande fotografo Missione spaziale ESA, 

combinazione senza precedenti di sensibilità, risoluzione angolare, copertura in frequenza e controllo di errori sistematici

Lancio: 14 maggio 2009 da Kourou (Guyana Francese) con il satellite Herschel

Orbita: attorno al punto Lagrangiano L2

Terminerà le sue operazioni a settembre 2013

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Orbita: punto lagrangiano L2

1.5 million Km

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

1,5 m

L'occhio di Planck

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

High Frequency Instrument

Schiera di bolometri raffreddati a 0.1 K alle frequenze

100­857 GHz

Sensibili alla polarizzazione fra 100 and 353 GHz

Spider­web PSB

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

I bolometri di HFI

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Low Frequency Instrument

Schiera di ricevitori radiometrici raffreddati a 20 K 

alle frequenze

30­44­70 GHz

Tutti sensibili alla polarizzazione

Singolo ricevitore

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Un radiometro di LFI

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Cold is cool!

300 K

140 K

100 K

80 K

50 K

20 K (LFI)

0.1-4 K (HFI)

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Il Sorption cooler: un frigorifero “silenzioso”

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Planck: 17 anni in 4 minuti

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Il cosmo visto da Planck

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Il cosmo visto da Planck

La Via Lattea in primo piano

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Il cosmo visto da Planck

Il fondo cosmico sullo sfondo

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Foregrounds

WMAP

Planck

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Foregrounds

WMAP

Planck

Minimo dei foregrounds a 70 GHz

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Cosa succede se facciamo la differenza fra la mappa a 70 GHz e a 100 GHz?

Cosa ci aspettiamo?

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

La differenza fra la mappa a 70 GHz e quella a 100 GHz rivela, come aspettato, un residuo di rumore strumentale e di segnale solo sul piano

della Galassia

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

La più bella immagine dell'universo bambino

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Fisica scritta in cielo

Os

serv

azio

ne

La sovrapposizione di mini-mappe costruite attorno ai massimi e minimi di intensità rivela l'impronta delle oscillazioni acustiche della materia barionica

~ 150 Mpc in cielo oggi,le dimensioni dell'orizzonte del suono

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Fisica scritta in cielo

Os

serv

azio

ne

La sovrapposizione di mini-mappe costruite attorno ai massimi e minimi di intensità rivela l'impronta delle oscillazioni acustiche della materia barionica

Il massimo centrale ha le dimensioni di ~ 10 Mpc,le dimensioni di un tipico ammasso di galassie

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

La concordanza fra lo spettro di potenza misurato e il modello ΛCDM è spettacolare.

Vediamo alcune caratteristiche di questo modello

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

La posizione del primo massimo è correlata alla geometria dell'universo

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Universochiuso(più denso)

Universoaperto(meno denso)

Universopiatto

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

“L'universo è piatto (errore del 4%)”

“L'universo è piatto (errore del 2%)”

“L'universo è piatto (errore del 15%)”

1999 – 2000 Boomerang

2001 – 2010 WMAP

2009 – 2013 Planck

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Materiabarionica

Materiaoscura

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Energia oscura Materia oscura

Materia “barionica”

72,8% 22,7% 4,5%

La dispensa dell'universo secondo WMAP

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Energia oscura Materia oscura

Materia “barionica”

68,3% 26,8% 4,9%

La dispensa dell'universo secondo Planck

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

La costante di Hubble

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

La concordanza con il modello ΛCDM è spettacolare

Dat

iM

od

ello

Fisica scritta in cielo

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Anomalie e misteri(poca anisotropia a grandi scale)

A grandi scale angolari il cielo è più isotropo del previsto

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Anomalie e misteri(asimmetria e cold spot)

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Anomalie e misteri(asimmetria e cold spot)

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Materia oscura nell'universo

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Distribuzione della materia nell'universo

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Il prossimo passo: la polarizzazione

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

L'analisi statistica della polarizzazione dalle mappe di Planck rivela una concordanza spettacolare con il modello.

Un'analisi approfondita è necessaria per indagare fenomeni fisici dell'universo inflazionario

Dat

iM

od

ello

Il prossimo passo: la polarizzazione

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

E dopo Planck? Numerose domande che emergono dalle teorie attuali 

richiedono nuovi esperimenti Che cos'è la materia oscura?

L'energia oscura esiste? Qual è la sua natura?

L'inflazione è realmente avvenuta? In quali condizioni?

Il potenziale gravitazionale primordiale presentava fluttuazioni tensoriali (onde gravitazionali)?

Come hanno iniziato a formarsi le strutture dopo il disaccoppiamento? Quando e come l'universo si è reionizzato su larga scala?

Molte di queste domande possono essere affrontate con misure di precisione della polarizzazione del 

fondo cosmico a micro­onde

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

LS

PE

– L

arg

e S

cale

Po

lari

zati

on

Exp

lore

r

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

Conclusioni

Le anisotropie di fondo cosmico sono come l'immagine di un bambino appena nato di cui vogliamo conoscere il suo passato e il suo futuro

In 50 anni il fondo cosmico si è dimostrato un mezzo molto potente per capire l'universo. In molti casi le misure e le teorie si accordano in modo meraviglioso

Planck ci ha restituito un'immagine di qualità senza precedenti ed ha aperto la strada ad un futuro ricco di domande ricche e profonde

Non si tratta di trovare l'ultima risposta, ma di stabilire un dialogo con il mondo che ci circonda che è, in ultima analisi, parte di noi stessi