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


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


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


“Semi” nell'universo COBE

DMR

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

superficie di ultimo scattering


“Semi” nell'universo WMAP


Armoniche sfericheArmoniche sferiche


Analisi di FourierAnalisi di Fourier


Armoniche sfericheArmoniche sferiche


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


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


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


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.


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


Orbita: punto lagrangiano L2

1.5 million Km


1,5 m

L'occhio di Planck


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


I bolometri di HFI


Low Frequency Instrument

Schiera di ricevitori radiometrici raffreddati a 20 K

alle frequenze

304470 GHz

Tutti sensibili alla polarizzazione

Singolo ricevitore


Un radiometro di LFI


Cold is cool!

300 K

140 K

100 K

80 K

50 K

20 K (LFI)

0.1-4 K (HFI)


Il Sorption cooler: un frigorifero “silenzioso”


Planck: 17 anni in 4 minuti



La Via Lattea in primo piano



Il fondo cosmico sullo sfondo


Foregrounds

WMAP

Planck


Foregrounds

WMAP

Planck

Minimo dei foregrounds a 70 GHz


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

Cosa ci aspettiamo?


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


La più bella immagine dell'universo bambino


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



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


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

Vediamo alcune caratteristiche di questo modello


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


Universochiuso(più denso)

Universoaperto(meno denso)

Universopiatto


“L'universo è piatto (errore del 4%)”



1999 – 2000 Boomerang

2001 – 2010 WMAP

2009 – 2013 Planck


Materiabarionica

Materiaoscura


Energia oscura Materia oscura

Materia “barionica”

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

La dispensa dell'universo secondo WMAP


Energia oscura Materia oscura

Materia “barionica”

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

La dispensa dell'universo secondo Planck


La costante di Hubble


La concordanza con il modello ΛCDM è spettacolare

Dat

iM

od

ello



Anomalie e misteri(poca anisotropia a grandi scale)

A grandi scale angolari il cielo è più isotropo del previsto


Anomalie e misteri(asimmetria e cold spot)


Materia oscura nell'universo


Distribuzione della materia nell'universo


Il prossimo passo: la polarizzazione


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


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


LS

PE

– L

arg

e S

cale

Po

lari

zati

on

Exp

lore

r


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

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