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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
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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
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“Semi” nell'universo COBE
DMR
La distribuzione angolare del fondo cosmico è correlata alla distribuzione di densità alla
superficie di ultimo scattering
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“Semi” nell'universo WMAP
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Armoniche sfericheArmoniche sferiche
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Analisi di FourierAnalisi di Fourier
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Armoniche sfericheArmoniche sferiche
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Spettro di potenza£104
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1
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1 10 100 1000 10000`
Lo spettro di potenza dà una descrizione statistica della distribuzione angolare delle anisotropie
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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
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Spettro di potenza
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1 10 100 1000 10000`
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£104
Le scale angolari medie (1° < δθ < 5') sono legate a perturbazioni causate da oscillazioni acustiche nel plasma in espansione prima del disaccoppiamento
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Spettro di potenza
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1 10 100 1000 10000`
£104 Al di sotto di 5' le anisotropie
sono cancellate dalla diffusione dei fotoni durante la ricombinazione.
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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
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Orbita: punto lagrangiano L2
1.5 million Km
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1,5 m
L'occhio di Planck
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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
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I bolometri di HFI
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Low Frequency Instrument
Schiera di ricevitori radiometrici raffreddati a 20 K
alle frequenze
304470 GHz
Tutti sensibili alla polarizzazione
Singolo ricevitore
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Un radiometro di LFI
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Cold is cool!
300 K
140 K
100 K
80 K
50 K
20 K (LFI)
0.1-4 K (HFI)
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Il Sorption cooler: un frigorifero “silenzioso”
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Planck: 17 anni in 4 minuti
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Il cosmo visto da Planck
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Il cosmo visto da Planck
La Via Lattea in primo piano
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Il cosmo visto da Planck
Il fondo cosmico sullo sfondo
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Foregrounds
WMAP
Planck
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Foregrounds
WMAP
Planck
Minimo dei foregrounds a 70 GHz
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Cosa succede se facciamo la differenza fra la mappa a 70 GHz e a 100 GHz?
Cosa ci aspettiamo?
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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
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La più bella immagine dell'universo bambino
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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
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La posizione del primo massimo è correlata alla geometria dell'universo
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Universochiuso(più denso)
Universoaperto(meno denso)
Universopiatto
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“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
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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
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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)
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Materia oscura nell'universo
23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
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23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
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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
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– L
arg
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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