LL’’ecoeco del Big Bangdel Big Bang

Carlo Carlo BaccigalupiBaccigalupiSISSA, SISSA, settoresettore didi AstrofisicaAstrofisica

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LontanoLontano nellonello spaziospazio, , indietroindietro nelnel tempotempoLL’’ecoeco del Big Bangdel Big BangLL’’UniversoUniverso neonatoneonato, prime , prime fotofotoNuoveNuove conoscenzeconoscenze, , nuovinuovi enigmienigmiTrieste, Trieste, ilil Big Bang, e PlanckBig Bang, e Planck

LontanoLontano nellnell spaziospazio, , indietroindietro nelnel tempotempo……

DistanzeDistanze nelnel SistemaSistema SolareSolareLa La luceluce viaggiaviaggia a 300000 a 300000 km al km al secondosecondoLa La lunaluna distadista circa circa 400,000 km, la 400,000 km, la suasuaimmagineimmagine impiegaimpiega piupiu’’ didiun un secondosecondo per per giungeregiungerea a noinoiIl sole Il sole sisi trovatrova a 8 a 8 minutiminutiluceluce, , ovveroovvero la la lucelucesolaresolare impiegaimpiega 8 8 minutiminutiper per arrivarearrivare a a noinoi

La Via La Via LatteaLattea……migliaiamigliaia didi annianni fafaIl Il sistemasistema solaresolare èè situatosituatonellanella periferiaperiferia didi unaunanormalenormale galassiagalassia spiralespirale, , la Via la Via LatteaLatteaEssaEssa contienecontiene circa 400 circa 400 miliardimiliardi didi stellestelleIn In lunghezzalunghezza, , essaessa èècirca 100 circa 100 milionimilioni didi voltevolte ililsistemasistema solaresolareLa La luceluce impiegaimpiega circa circa 30000 30000 annianni per per attraversarlaattraversarla

Il Il gruppogruppo ``locale``locale”” didi galassiegalassieLe Le galassiegalassie piupiu’’ vicinevicine sisitrovanotrovano a a milionimilioni didi annianniluceluce, , ovveroovvero le le vediamovediamocome come eranoerano milionimilioni didiannianni fafaIl Il gruppogruppo locale locale didigalassiegalassie stasta cadendocadendo sulsulgrandegrande attrattoreattrattore, , ll’’ammassoammasso Virgo, Virgo, cheche sisitrovatrova ad ad alcunealcune decinedecine didimilionimilioni didi annianni luceluce dididistanzadistanza

OltreOltre……milionimilioni didi galassiegalassie……dietrodietrounauna monetamoneta……miliardimiliardi didi annianni luceluceGrazie Grazie aiai telescopitelescopi piupiu’’modernimoderni, come , come ll’’HubbleHubbleSpace Telescope, Space Telescope, conosciamoconosciamo oggioggi miliardimiliardididi galassiegalassie, , ognunaognunacontenentecontenente mezzo mezzo trilionetrilionedidi stellestelleLe Le piupiu’’ lontanelontane distanodistanomiliardimiliardi didi annianni luceluceE E oltreoltre……? ? RiceviamoRiceviamoqualcosaqualcosa dada piupiu’’ lontanolontano??

LL’’ecoeco del Big Bangdel Big Bang

RiceviamoRiceviamo segnalisegnali dalledalle regioniregionioltreoltre le le galassiegalassie pipiúú lontanelontane??

LL’’UniversoUniverso sisi espandeespande, e , e nelnelpassatopassato era era compressocompresso, e , e quindiquindicaldocaldo, , tantotanto dada innescareinnescareesplosioniesplosioni termonuclearitermonucleariRalf Ralf AlpherAlpher, Hans Bethe, George , Hans Bethe, George Gamow, Gamow, nelnel 1948, 1948, predisseropredissero chechela la radiazioneradiazione derivantederivante dada talitaliesplosioniesplosioni dovrebbedovrebbe essereessererilevabilerilevabile oggioggi, molto , molto rarefattararefatta e e quindiquindi freddafredda, , caratterizzadacaratterizzada dadaunauna temperaturatemperatura didi pochipochi gradigradisoprasopra lo zero lo zero assolutoassolutoTale Tale radiazioneradiazione ee’’ nota come nota come Cosmic Microwave Background, la Cosmic Microwave Background, la radiazioneradiazione cosmicacosmica didi fondofondo, , paragonabileparagonabile ad un ``ad un ``romboromboelettromagneticoelettromagnetico”” delldell’’esplosioneesplosionecheche diedediede origineorigine allall’’universouniverso, , circa 14 circa 14 miliardimiliardi didi annianni fafa

George Gamow a 3 anni, Odessa, Ucraina, 1907

La La scopertascoperta delladella radiazioneradiazione didi fondofondo

UniversoUniverso in in espansioneespansione, , daldal piccolo piccolo al al grandegrande, , daldal caldocaldo al al freddofreddo

Le Le singolesingole note note nellnell’’ecoeco del Big Bangdel Big BangSempliciSemplici leggileggi fisichefisicheprediconopredicono cheche le le regioniregioni pipiúú o o menomeno dense dense emettonoemettonoradiazioneradiazione pipiúú o o menomeno caldacalda……DunqueDunque, , ll’’immagineimmagine delladellaradiazioneradiazione didi fondofondo èè unaunafotografiafotografia delledelle strutturestrutture create create daldal Big Bang! Big Bang! ProprioProprioll’’immagineimmagine delladella Terra Terra cici fafavederevedere le sue le sue strutturestrutture! ! SubitoSubito dopodopo la la scopertascoperta, parte , parte la la ricercaricerca delledelle disomogeneitadisomogeneita’’nellanella radiazioneradiazione didi fondofondo, la , la ricostruzionericostruzione delldell’’immagineimmagine del del cosmocosmo in in fascefasce, , appenaappena300,000 300,000 annianni dopodopo ilil Big BangBig Bang

Courtesy of the NASA WMAP team

LL’’UniversoUniverso neonatoneonato, , prime prime fotofoto

COsmicCOsmic Background Explorer (COBE)Background Explorer (COBE)

Premio nobel per la fisica a John Mather e George Smoot, 2006

LL’’UniversoUniverso neonatoneonato

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, in (WMAP, in volovolo eded osservazioneosservazione oraora))

Courtesy of the NASA WMAP team

Planck, Planck, lanciolancio previstoprevisto 31 31 ottobreottobre 20082008

…and more, see lambda.gsfc.gov

LL’’UniversoUniverso, , marzomarzo 20082008

NuoveNuove conoscenzeconoscenze, , nuovinuovi enigmienigmi

AstrofisicaAstrofisicaI I limitilimiti teconologiteconologi eded economicieconomicicici impedisconoimpediscono didi realizzarerealizzareesperimentiesperimenti didi altissimaaltissimaenergiaenergia qui qui sullasulla TerraTerraUn Un esempioesempio: per un : per un esperimentoesperimento cheche studistudi la la fisicafisicadelldell’’unificazioneunificazione didi tuttetutte le le forzeforze occorrerebbeoccorrerebbe un un acceleratoreacceleratore didi particelleparticellegrandegrande quantoquanto ilil sistemasistemasolaresolare! ! LL’’universouniverso rappresentarappresenta un un laboratoriolaboratorio idealeideale, , ancheanche se se solo solo osservabileosservabile, , cheche contienecontienetuttitutti i i fenomenifenomeni interessantiinteressanti, , daldalBig BangBig Bang

NuoveNuove conoscenzeconoscenze: : Big Bang Big Bang eded InflazioneInflazione cosmicacosmica

La La gravitagravita’’ ee’’ attrattivaattrattiva, ma le , ma le distanzedistanze cosmichecosmiche sonosonoenormienormi, , percheperche’’??La La teoriateoria delldell’’InflazioneInflazionecosmicacosmica ipotizzaipotizza unauna fasefase didiespansioneespansione accelerataaccelerata subitosubitodopodopo ilil Big Bang (10Big Bang (10--3535 secondisecondidopodopo), ), guidataguidata dalldall’’energiaenergiadelledelle particelleparticelle prima prima delladella loroloroformazionformazionI I datidati sullasulla radiazioneradiazione didi fondofondosonosono consistenticonsistenti con con questaquestaipotesiipotesi, , eded indicanoindicano cheche in in questaquesta fasefase ll’’universouniverso didisarebbesarebbe espansoespanso didi circa 10circa 103030

voltevolte

NuoveNuove conoscenzeconoscenze: : la la composizionecomposizione del del cosmocosmo

Le Le strutturestrutture visibilivisibili, , pianetipianeti, , stellestelle, , rappresentanorappresentano unaunaminima parte minima parte delladella materiamateriacosmicacosmica7 7 voltevolte tantotanto ee’’ in forma in forma didimateriamateria oscuraoscura, , ovveroovvero non non interagenteinteragente con la con la materiamateriaordinariaordinaria, , cheche costituiscecostituisce alonialoniattornoattorno allealle galassiegalassieLa La materiamateria totaletotale, , oscuraoscura e e non, non, costituiscecostituisce solo solo ilil 25% 25% delldell’’interaintera energiaenergia cosmicacosmica……

NuoveNuove conoscenzeconoscenze: : ll’’espansioneespansione acceleraaccelera!!

Le Le osservazioniosservazioni indicanoindicano chechell’’UniversoUniverso stasta accelerando la accelerando la suasua espansioneespansioneLL’’accelerazioneaccelerazione sarebbesarebbeiniziatainiziata alcunialcuni miliardimiliardi didi annianni fafaQuestoQuesto processoprocesso pupuóó essereesserericondottoricondotto ad ad unauna forma forma didienergiaenergia nellonello spaziospazio vuotovuotosimile a simile a quellaquella cheche generogenero’’ll’’InflazioneInflazione cosmicacosmica, , dibattutadibattutadada Einstein Einstein eded I I maggiorimaggiori fisicifisiciteoriciteorici nelnel corsocorso delldell’’interointeroultimo ultimo secolosecolo

EnigmiEnigmi in in cosmologiacosmologia

Non Non sappiamosappiamo……qualiquali processiprocessi hannohanno precedutopreceduto ll’’InflazioneInflazione, e se , e se essiessi sonosono descrittidescritti dada unauna trattazionetrattazione unificataunificatadelladella gravitgravitàà e le e le altrealtre tretre forzeforze conosciuteconosciutecheche cosacosa ha ha generatogenerato ll’’InflazioneInflazione cosmicacosmicacheche cosacosa èè la la materiamateria oscuraoscuracosacosa stasta facendofacendo accelerareaccelerare ll’’espansioneespansionecosmicacosmica oggioggi……

OsservareOsservare per per saperesapereNeiNei prossimiprossimi annianni, , alcunialcuni enigmienigmi potrebberopotrebbero essereesseresvelatisvelati daidai prossimiprossimi esperimentiesperimenti, grazie al , grazie al progressoprogressotecnologicotecnologico neglinegli ultimiultimi decennidecenniOsservazioniOsservazioni delladella radiazioneradiazione didi fondofondo ad ad altissimaaltissimarisoluzionerisoluzione, , ilil tentativotentativo didi vedervivedervi ll’’improntaimpronta didi oscillazionioscillazionispaziotemporalispaziotemporali impresseimpresse al Big Bangal Big BangMiliardiMiliardi didi galassiegalassie in in mappemappe 3D 3D delldell’’universouniversoEsplosioniEsplosioni didi supernovesupernove e e raggiraggi gamma per gamma per ricostruirericostruire la la storiastoria delldell’’espansioneespansione cosmicacosmica````CuginiCugini”” delladella materiamateria oscuraoscura nelnel Large Large HadronHadron ColliderCollider……

Le Le atteseattese scientifichescientifiche daldalsatellite Plancksatellite Planck

DalDal programmaprogramma scientificoscientifico didi Planck: Planck: www.rssd.esa.intwww.rssd.esa.int/Planck/Planck

PlanckPlanckMissioneMissione didi osservazioneosservazionedel del fondofondo cosmicocosmico didi terzaterzagenerazionegenerazione, ESA con , ESA con partecipazionepartecipazione NASANASA400 400 scienziatiscienziati in in EuropaEuropa e e StatiStati UnitiUnitiLancioLancio previstoprevisto, , secondasecondametmetáá del 2008del 2008Due Due centricentri didi analisianalisi datidati: : ParigiParigi + Cambridge (+ Cambridge (IaPIaP + + IoAIoA), Trieste (OAT + ), Trieste (OAT + SISSA)SISSA)

Davies

Berkeley

Pasadena

Minneapolis

Rome

HelsinkiCopenhagenBrighton

Oviedo

SantanderPadua

Bologna

TriesteMilan

ParisToulouse

Oxford

CambridgeMunich

Heidelberg

Bucarest

La La collaborazionecollaborazione Planck Planck

TriesteParisCambridge

CentriCentri didi analisianalisi datidati didi PlanckPlanck

Planck Planck eded ilil TPACTPACLancioLancio, , OttobreOttobre 20082008Due Due mesimesi per per giungeregiungere nelnelpuntopunto didi osservazioneosservazione oltreoltre la la LunaLunaUn anno Un anno didi osservazioniosservazioniDue Due annianni didi studio studio deidei datidatiPubblicazionePubblicazione deidei risultatirisultatiprevistaprevista per per ilil 20112011ScienziatiScienziati delladella SISSA e SISSA e delldell’’OsservatorioOsservatorio AstronomicoAstronomicodidi Trieste Trieste costituisconocostituiscono ililTrieste Planck Analysis Center Trieste Planck Analysis Center (TPAC)(TPAC)Le Le simulazionisimulazioni sonosono in in attoatto dadaannianni, , cici stiamostiamo oraora preparandopreparandoallall’’analisianalisi deidei datidati realireali

LL’’analisianalisi datidati, , unauna gigantescagigantescacompressionecompressione, , sfidasfida allaalla tecnologiatecnologia

Il satellite Il satellite registraregistra la la radiazioneradiazione cosmicacosmica con con 47 47 rivelatoririvelatori, , unauna voltavoltaogniogni centesimo centesimo didisecondosecondo, per un anno, per un annoLe Le mappemappe del del cielocielo sonosonocostituitecostituite dada decinedecine didimilionimilioni didi pixelspixelsLe Le quantitaquantita’’ misurabilimisurabilicheche descrivonodescrivono ll’’UniversoUniversosonosono menomeno didi 1010

Le Le promessepromesse didi Planck: Planck: la la radiazioneradiazione didi fondofondo

LL’’immagineimmagine ````definitivadefinitiva”” delladellaradiazioneradiazione didi fondofondo in in intensitintensitáátotaletotale: : unauna mappamappa senzasenzaprecedentiprecedenti delldell’’ecoeco del Big Bangdel Big BangLa La scomposizionescomposizione delledelle note note delldell’’ecoeco nellenelle armonichearmoniche piupiu’’elementarielementari, in , in particolareparticolare quellequelleattivateattivate dalledalle ondeonde gravitazionaligravitazionaliindotteindotte dallodallo stessostesso Big Bang, Big Bang, previstepreviste dalladalla teoriateoria delladellaRelativitaRelativita’’ didi Einstein e Einstein e maimairivelaterivelateRadiazioneRadiazione didi fondofondo ededaccelerazioneaccelerazione delldell’’espansioneespansionecosmicacosmica: : ll’’immagineimmagine èè distortadistortadalladalla recenterecente accelerazioneaccelerazione in in modomodo predicibilepredicibile? ?

Le Le promessepromesse didi Planck: Planck: astrofisicaastrofisica

La La coperturacopertura in in frequenzafrequenza, 9 , 9 canalicanali dada 30 30 ad 857 GHz, ad 857 GHz, permetterpermetteráádidi riscrivereriscrivere le le nostrenostreconoscenzeconoscenze sullasulla parte parte luminosaluminosa delladella materiamateriacosmicacosmica, , decinedecine didi migliaiamigliaia didinuovenuove galassiegalassie, , migliaiamigliaia didi nuovinuovi ammassiammassididi galassiegalassie, , mappemappe del gas del gas diffusodiffusonellanella Via Via LatteaLattea

ConclusioniConclusioniViviamoViviamo nellnell’’eraera delladella cosmologiacosmologia didi precisioneprecisioneLo studio Lo studio delldell’’UniversoUniverso ha ha subitosubito un un progressoprogresso senzasenzaprecedentiprecedenti neglinegli ultimiultimi decennidecenni, e , e rappresentarappresenta ll’’unicaunicafontefonte sperimentalesperimentale per per studiarestudiare la la fisicafisica allealle energieenergie pipiúúaltealte concepibiliconcepibiliMoltiMolti ancoraancora sonosono I I segretisegreti cheche essoesso serbaserba, e la , e la comunitcomunitáá scientificascientifica stasta pianificandopianificando esperimentiesperimenti susuvastavasta scalascala per per estrarliestrarli tuttitutti, se , se possibilepossibileLa La comunitacomunita’’ scientificascientifica triestinatriestina giocagioca un un ruoloruolofondamentalefondamentale in in unouno didi essiessi, Planck, , Planck, destinatodestinato a a realizzarerealizzare la la fotografiafotografia piupiu’’ precisaprecisa delldell’’UniversoUniversoneonatoneonato, i cui , i cui risultatirisultati apparirannoappariranno nellnell’’immediatoimmediato futurofuturo

Ma Ma cheche cc’’importaimporta??SpendereSpendere la vita la vita eded ilil denarodenaroper per pensarepensare a a questiquesti misterimistericosmicicosmici, , costruirecostruire macchinemacchinecomplicatissimecomplicatissime e e costosissimecostosissime per per studiarestudiarefisicafisica in in condizionicondizioni estremeestreme……PerchPerchéé? Solo per la ? Solo per la conoscenzaconoscenza? ? PiacerePiacere didipochipochi? ? CC’è’è qualcosaqualcosa per la per la comunitcomunitáá? ? RispostaRisposta buonabuona: : accendeteaccendete la la luceluce a casa a casa staserastasera

Ma Ma cheche cici importaimporta??SpendereSpendere la nostra vita e la nostra vita e soldisoldiper per pensarepensare a a questequeste cosecose, , costruirecostruire stranestrane e e costosecostosemacchinemacchine per per investigareinvestigare la la fisicafisica in in condizionicondizioni estremeestreme……PerchePerche’’? Solo per la ? Solo per la conoscenzaconoscenza? ? PiacerePiacere per per pochipochi? ? CC’’ee’’ qualcosaqualcosa per per ililrestoresto delladella comunitacomunita’’? ? RispostaRisposta cattivacattiva: e: e’’ nellanella piupiu’’micidialemicidiale armaarma realizzatarealizzata, , finorafinora