Osservazioni del passato remoto dell’...

1

Osservazioni del passato remoto dell’ Universo

Paolo de BernardisDipartimento di Fisica, Universita’ La Sapienza,

Roma, Italy

L’ Eredita’ di EinsteinRoma, Biblioteca Casanatense

24/11/2005

La luce ha una velocita’ finita (un miliardo di km/ora). Guardare lontano equivale a guardare nel passato.

Esempi:• Il Sole: dista 150 milioni di km, o 8 minuti luce. Lo vediamo come era 8 minuti prima.• La stella piu’ vicina: la vediamo ora come era 4.2 anni fa.• La galassia diAndromeda: la vediamo oggi come era 2.2 milioni di annifa• Alcune delle galassie dell’ Hubble DeepField: le vediamo oggi come erano circa 11 miliardi di anni fa

Si puo’ osservare ancora piu’ lontano, e quindi ancora piu’ indietro nel tempo, cercando di

scoprire se c’e’ stata una nascita dell’ Universo ?

La risposta e’ “si, ma…”Per rispondere dobbiamo considerare alcuni fatti non

banali, ed attingere a piene mani all’ eredita’ di Einstein

George GamowAlbert EinsteinEdwin Hubble

Fondo Cosmico a Microonde

Big BangCaldo

redshiftEspansione dell’ universo

Abbondanze degli

elementi

Legge diHubble

Lenti Gravitazionali Anisotropia del fondo a microonde

Interazione tra la luce e le masse

Relativita’ Generale(teoria della gravitazione)

Solo la teoria delle relativita’ generale permette di spiegare le osservazioni cosmologiche moderne :

QSO


Big BangCaldo


Abbondanze degli

elementi

Legge diHubble





QSO

2

L’ espansione dell’ Universo

• Viviamo in un universo in espansione, perche’ le Galassie - i mattoni costitutivi dell’ universo visibile – si allontanano le une dalle altre. •A questa conclusione giunsero Carl Wirtz ed Edwin Hubble negli anni 20-30, osservando ed interpretando il fatto che piu’ una galassia e’ distante, piu’ la sua luce e’ spostata verso il colore rosso (redshift)

• La misure di Wirz e Hubble e’ basata su due diverse osservazioni: di distanza (piu’ sono lontane, e meno luminose appaiono le galassie) e di colore della luce (spettro) .

• La luce e’ formata da onde elettromagnetiche. Il coloredella luce dipende dalla sua lunghezza d’ onda λ

• L’ effetto Doppler, dovuto alla velocita’ relativa di sorgente e osservatore, altera la lunghezza d’ onda della luce, trasformando un colore in un altro.

0 ,0 0 ,8 1 ,6 2 ,4 3 ,2 4 ,0d is ta n z a (m ilio n e s im i d i m e tro )

Luce blu

Luce rossa

λ

λ

Effetto Doppler• Christian Doppler

dimostro’ nel 1843 la dipendenza della lunghezza d’ onda dal moto relativo di sorgente ed osservatore.

• Tanto maggiore e’ la velocita’ relativa, tanto maggiore e’ lo spostamento della lunghezza d’ onda misurata:

Δλ/λ = v/cSorgente sonora o luminosa in movimento

Questo osservatore vedeuna lunghezza d’ onda maggiore perche’ la sorgentesi sta allontanando

Interpretazione del redshift• Hubble interpreto’ lo spostamento verso il rosso

della lunghezza d’ onda della luce delle galassie (il redshift) come un effetto Doppler, dovuto ad un moto generale di allontanamento delle galassie.

• Oggi sappiamo che il redshift e’ un fenomeno molto piu’ profondo, che si spiega applicando la relativita’ generale di Einstein al “fluido cosmologico” di galassie.

• Intanto cerchiamo di capire meglio i dati sperimentali.

0 20000 40000 60000

1000

2000

3000

N(z

)

cz (km/s)

Redshift delle galassie

PSCzSaunders et al.MNRAS 200018351 galaxieswithin 60 Mpc

Lo spostamento delle lunghezze d’ onda e’ sempre positivo (almeno per le galassie lontane)

Se si tratta di effetto Doppler, le Galassie lontane sembrano tutte allontanarsi da noi.

v=c Δλ/λ (km/s)

Num

ero

di g

alas

sie

• Riportando in grafico la velocita’ di allontanamento in funzione della magnitudine (distanza) si osserva poi che piu’ le galassie galassie sono lontane, maggiore e’ lo spostamento verso il rosso della loro luce. Se la causa del redshift e’ l’ effetto doppler, le galassie piu’lontane si allontanano piu’ velocemente da noi.

• La costante di proporzionalita’ tra velocita’ di allontanamento e distanza e’ detta costante di Hubble:

Ho ~ 70 (km/s) / (Mpc)

velocita’ricavata dal

redshift:

v =

c Δλ

/λ

distanza

3

Esempio del panettone che lievita. Il panettone prima della lievitazione ha un diametro di 20 cm; dopo 2 ore in forno ha un diametro di 40 cm. Indichiamo con una freccia la nostra uvetta di riferimento.

L’ uvetta che inizialmente era a 5 cm dalla nostra, dopo 2 ore si trova a 10 cm dalla nostra. La sua velocita’ di allontanamento e’ di 2.5 cm/ora.

L’ uvetta che inizialmente era a 10 cm dalla nostra, dopo 2 ore si trova a 20 cm dalla nostra. La sua velocita’ di allontanamento e’ di 5 cm/ora.

Distanza doppia implica velocita’ doppia di allontanamento: la Legge di Hubble e’ conseguenza naturale di una espansione isotropa dello spazio.

Avrei potuto scegliere un’ altra uvetta di riferimento!

Conseguenze dell’ espansione:• Guardare lontano implica

osservare oggetti che si stanno allontanando sempre piu’velocemente da noi.

• Tanto che la loro emissione, per il redshift , ha lunghezze d’ onda sempre piu’ lunghe.

• Dal visibile si sposta nel rosso, poi nell’ infrarosso, poi nelle microonde !

• Non la vediamo piu’, almeno con l’ occhio e con i rivelatori di luce visibile !

Conseguenze dell’ espansione:

• Osservando luce IR, oppure osservando luce UV, che viene spostata nel visibile dal redshift, si scopre che lo spostamento verso il rosso puo’essere sostanziale.

• Per i QSO, ma anche per galassie normali si puo’ avere z=Δλ/λ>1 o >>1.

λ osservata

z de

l QSO

20000 QSO nella2dF redshift survey

Ly-α(0.1216μm)

@1.3μm:

z = 10 !

L.B.t =13 GyR=0.8μm J =1.25μm H=1.63μm K =2.2μm

Ly-α(0.1216μm)

@1.3μm:

z = 10 !

R=0.8μm J =1.25μm H=1.63μm K =2.2μm

• Se fosse un effetto Doppler classico, la sorgente si starebbe allontanando a 9 volte la velocita’ della luce.

• Si puo’ usare la formula dell’ effetto Doppler relativistico, concludendo che la sorgente si allontana al 98.4% della velocita’ della luce (!!).

• L’ approccio corretto e’ quello della relativita’ generale. E’ lo spazio stesso (la metrica) che si sta espandendo, trascinando con se’ tutte le galassie : e’ un moto con lo spazio, non attraverso lo spazio.

• L’ espansione allunga tutte le lunghezze, comprese le lunghezze d’ onda dei fotoni.

Il redshift• La relativita’ generale di Einstein ci spiega che in un universo in espansione le lunghezze d’onda dei fotoni si allungano esattamente quanto le altre lunghezze.

• E’ l’ espansione dello spazio che allunga anche le lunghezze d’ onda: luce che viene emessa blu, con l’ espansione diventa rossa e poi infrarossa. Piu’ e’ lungo il cammino e piu’ la lunghezza d’ onda viene allungata.

• Per questo le sorgenti lontanissime hanno redshift maggiore di 1. In termini general relativistici vuol solo dire che l’ universo si e’ allargato di piu’ di 2 volte dal momento dell’ emissione a quello della ricezione.

to

t1

t2

Doppler: Δλ/λ = v/cEinstein: Δλ/λ=ΔL/L=z

λ/λο=L/Lo= 1+z

4

• Perche’ non vediamo sorgenti ancora piu’ lontane?

• Una delle conquiste della cosmologia moderna e’ il fatto che tutte le componenti dell’ universo evolvono.

• Le galassie piu’ lontane sono molto diverse da quelle piu’ vicine, e questo e’ dovuto all’ evoluzione. Questo significa che le galassie sono nate in una certa epoca remota.

• La Galassia record a z=10 e’ un oggetto molto piu’ piccolo di una Galassia normale. Potrebbe essere uno dei “mattoni” primordiali da cui si sono poi formate le galassie.

• L’ universo primordiale e’ l’ universo prima della formazione delle Galassie.

• I cosmologi fissano l’ epoca della formazione delle galassie ad un redshift tra 10 e 20.

• Questo significa anche che l’ universo era molto piu’ semplice ed omogeneo nelle sue fasi primordiali

• Dall’ universo omogeneo iniziale si sono lentamente formate le strutture grazie all’ azione aggregatrice della gravita’.


Big BangCaldo


Abbondanze degli

elementi

Legge diHubble





QSO

Il Big Bang Caldo

• George Gamow negli anni 50 dimostro’ che l’ universo iniziale doveva anche essere piu’ caldo, creando cosi’ la teoria del Big Bang Caldo.

• Un gas isolato che si espande si raffredda. L’ universo e’ un sistema isolato in espansione, e fa la stessa cosa.

• Piu’ indietro andiamo nel tempo, piu’caldo doveva essere l’ universo.

• Se guardiamo abbastanza lontano, osserveremo un’ epoca talmente remota che tutto l’ universo era caldo come il sole.

Granulazione solare

8 minuti luceQui, ora

Gas incandescente sulla superficie del Sole (5500 K)

Granulazione solare

Mappa di BOOMERanG dell’ Universo Primordiale

8 minuti luce

14 miliardi di anni luce

Qui, ora

Qui, ora

Gas incandescente sulla superficie del Sole (5500 K)

Gas incandescente nell’ universo primordiale (l’ universo diventa trasparente a 3000 K)

5

• Come non si puo’ guardare dentro il Sole, che e’ opaco, non si puo’ guardare come era l’ universo quando era piu’ caldo di qualche migliaio di gradi.

• Ci e’ preclusa l’ osservazione diretta dei primi 380000 anni dell’ universo, il tempo che ci mette a raffreddarsi fino a 3000 gradi.

• 380000 anni rispetto a 14 miliardi di anni di eta’attuale non e’ male… ma vedremo poi che indirettamente si possono studiare anche i primi attimi.

• La luce piu’ antica che possiamo osservare e’ quella proveniente da quella fase in cui tutto l’ universo era incandescente.

• Come vediamo luce arrivare dalla superficie incandescente del sole, dobbiamo aspettarci arrivare luce da quell’ epoca dell’ Universo.

• Solo che nel frattempo l’ universo si espande circa 1000 volte, e la lunghezza d’ onda della luce diventa alcuni millimetri.

• Ci aspettiamo quindi delle microonde.• Queste sono state osservate davvero, e’ il fondo

cosmico a microonde.

Il fondo cosmico a microonde• Il fondo a microonde fu

osservato per la prima volta per caso da Arno Penzias e Robert Wilson, nel 1965.

• Lavorando ad una antenna per trasmissioni della Bellscoprirono la presenza di un “rumore di fondo”, indipendente dalla direzione del cielo osservata.

I fisici del gruppo di Princeton capirono che il rumoredi fondo misurato da Penzias e Wilson altro non era che

la radiazione proveniente dall’ universo primordiale

COBE-FIRAS• Negli anni successivi il fondo

cosmico e’ stato osservato a tutte le lunghezze d’ onde da meno di 1 GHz a circa 1000 GHz.

• Nel 1992 l’ esperimento FIRAS sul satellite COBE ha dimostrato che lo spettro e’ esattamente di corpo nero (deviazioni inferiori a una parte su 10000 !)

Fondo a microonde e nucleosintesi• Se la radiazione di corpo nero a

2.725K riempie tutto l’ universo, vuol dire che ci sono 400 fotoni per ogni cm3 di universo.

• La maggior parte dei fotoni dell’ universo e’ in questa forma.

• E ci sono circa un miliardo di fotoni per ogni particella massiva.

• Gamow calcolo’ i nuclei di elio potevano formarsi nell’ universo primordiale a partire da protoni e neutrini, a patto che fosse presente una grande quantita’ di fotoni, che dovevano essere presenti come radiazione termica ancora oggi ad una temperatura di pochi K. (Nucleosintesi)

• E’ esattamente quanto si osserva !


Big BangCaldo


Abbondanze degli

elementi

Legge diHubble





QSO

6


Big BangCaldo


Abbondanze degli

elementi

Legge diHubble





QSO


Big BangCaldo


Abbondanze degli

elementi

Legge diHubble





QSO

• Secondo la relativita’ generale le masse interagiscono con la luce, deflettendola e cambiando la sua frequenza.

• Questi effetti si possono derivare in modo semplice dalle fondamenta della teoria, cioe’ dal principio di equivalenza:

• Tutti i laboratori in caduta libera e non rotanti sono completamente equivalenti per tutti gli esperimenti fisici (Einstein, 1907).

• La caduta libera e’ un modo per eliminare gli effetti visibili localmente della gravita’, l’ assenza di rotazione elimina gli effetti delle forze apparenti

• Secondo l’ esempio dell’ ascensore di Einstein: “una persona in un ascensore in caduta libera non sente il proprio peso, e non puo’capire se l’ ascensore si trova sulla terra ed e’ in caduta libera, oppure se si trova nello spazio lontano da altre masse”.

• Viceversa …

Interazione tra luce e gravita’

• Possiamo costruire due esperimenti concettuali che ci permettono di valutare la portata del principio di equivalenza, e di stabilire che l’ interazione gravitazionale deve agire anche sulla luce.

• Esperimento 1:• Montiamo nell’ ascensore un laser in modo che il fascio di luce

emesso sia orizzontale, e lasciamo cadere l’ ascensore.• La gravita’ e’ stata “abolita” nell’ ascensore, e per il principio d’

equivalenza l’ osservatore nell’ ascensore vedra’ il raggio di luce propagarsi lungo una linea retta parallela al pavimento dell’ ascensore.

• Ma se questo e’ vero, l’ osservatore a terra, dove la gravita’ si sente, vedra’ il raggio di luce percorrere una curva ! Dalla composizione delmoto orizzontale della luce x=ct e del moto dell’ ascensore z=-(1/2)gt2 vediamo subito che il moto del raggio di luce nel riferimento terrestre e’ una parabola (moto di un proiettile).

• La presenza di gravita’ deflette la traiettoria del raggio di luce.

Interazione tra luce e gravita’ Curvatura delle traiettorie luminosez

x

t=0 z

x

t=l/c

l

l2

21 gt

• L’ angolo di deflessione e’ dell’ ordine di

• Decisamente un esperimento concettuale !( ) arcsecrad

smmsm

cggt

101528

2

2

2

10210/10310/102

1−− ×≈≈

×

×≈≈≈

l

lϕ

7

Misure di Deflessione della Luce• La misura della deviazione dei raggi di

luce provenienti dalle stelle lontane a causa della curvatura dello spazio dovuta al campo gravitazionale del Sole fu la prima prova della teoria sperimentale della relativita’ generale di Einstein.

• Eddington (1917) uso’ raggi di stelle che passano molto vicino al sole. In quel caso, l’ effetto e’ di pochi secondi d’ arco.

• Con la precisione di Hipparcos, mille volte superiore, e’ possibile rivelare l’ effetto anche per stelle a 90o dalla direzione del sole, cioe’ su decine di migliaia di stelle del catalogo principale, ottenendo cosi’ una elegante verifica della relativita’ generale.

1”

Terra

Sole

Luna (eclisse)

La presenza di massa curva i raggi di luce !

• Il fenomeno e’ ormai usuale nelle immagini dell’ HubbleSpace Telescope. Le sorgenti lontane appaiono deformate a causa delle masse interposte

• Lenti Gravitazionali

1”

terra

sole

Quigalassia QSO

Immagini Multiple

Archi

Anello di Einstein

Magnificazione


Big BangCaldo


Abbondanze degli

elementi

Legge diHubble





QSO

8


Big BangCaldo


Abbondanze degli

elementi

Legge diHubble





QSO

• Esperimento 2:• Stavolta montiamo sul

pavimento dell’ ascensore un laser con frequenza νo in modo che il fascio di luce emesso sia diretto verso l’ alto, e lasciamo cadere l’ ascensore.

• La gravita’ e’ stata “abolita” nell’ ascensore, e per il principio d’ equivalenza un rivelatore posto sul soffitto registrera’ , all’ arrivo della luce, la stessa frequenza νo .


z t=0

h

x

• Esperimento 2:• Ma per l’ osservatore a terra, il

rivelatore si sta avvicinando verso il raggio di luce. All’ arrivo della luce, dopo un tempo h/c, il rivelatore ha guadagnato una velocita’ v=gt=gh/c verso il raggio di luce.

• Quindi dovrebbe vedere una frequenza spostata verso il blu di Δν/νο=v/c=gh/c2 .

• Se il principio di equivalenza e’ vero, questo non puo’ succedere.

• Dobbiamo supporre che la gravita’tenda a diminuire la frequenza della luce quando diminuisce il potenziale gravitazionale, compensando il blueshift: redshift gravitazionale.


z

t=h/c

h

x

22 ccgh

o

φν

ν Δ−=−=

Δ

• Questo esperimento e’ stato fatto davvero nel 1960 sulla torre dell’ universita’ di Harvard (h=22.6m) da Pound e Rebka.

• Nel loro esperimento hanno usato una sorgente di raggi gamma (quindi frequenza νο altissima), e hanno rivelato il minuscolo spostamento di frequenza grazie all’ effetto Mossbauer.

• Si puo’ misurare solo perche’ la riga gamma ha una larghezza estremamente piccola.

Redshift Gravitazionale

2cgh

o

−=Δν

ν

152 105.2 −×−=−=

Δcgh

oνν

Mappa di BOOMERanG dell’ Universo Primordiale

14 miliardi di anni luceQui, ora

Torniamo ora alla CMB: se nel plasma primordiale ci sono fluttuazioni di densita’, noi vedremo fluttuazioni della Temperatura del fondo a microonde dovute a 2 effetti:

Le zone sovradense sono anche piu’ calde, quindi c’e’ una maggiore energia dei fotoni che provengono da esse.

Tuttavia questi fotoni perdono un po’ di energia perche’ si allontanano da una massa e quindi subiscono un redshiftgravitazionale.

Gas incandescente nell’ universo primordiale (l’ universo diventa trasparente a 3000 K)

Le zone sovradense sono anche piu’ calde, quindi c’e’ una maggiore energia dei fotoni che provengono da esse.

Tuttavia questi fotoni perdono un po’ di energia perche’ si allontanano da una massa e quindi subiscono un redshiftgravitazionale.

Questi due effetti si compensano solo parzialmente. Quindi realizzando una mappa della temperatura della CMB possiamo vedere quali erano le protostrutture (fluttuazioni di densita’) presenti nell’ universo a quell’ epoca remota (14 miliardi di anni fa).

23cTT φΔ

−=Δ

9

Immagini dell’ Universo Primordiale• L’ esistenza della radiazione cosmica di fondo e’

quindi una conferma sperimentale della teoria del Big Bang Caldo: viviamo in un universo in espansione, che deve provenire da uno stadio iniziale enormemente caldo e denso

• Abbiamo quindi a disposizione luce che arriva da un’epoca di “appena” 380000 anni dopo il big bang, quando l’ universo era 1000 volte piu’ piccolo, 1000 volte piu’ caldo, un miliardo di volte piu’ denso e 50000 volte piu’ giovane di oggi.

• Se riusciamo ad ottenere un’ immagine di questa radiazione, abbiamo un’ immagine dell’ universo primordiale, all’ epoca piu’ antica investigabile con la luce. E’ una sfida per gli sperimentatori fin dal 1965!

Le misure di anisotropia• Fin dagli anni 70 fu chiaro che l’ immagine

della radiazione cosmica di fondo era estremamente poco contrastata.

• La radiazione di fondo e’ con ottima approssimazione isotropa.

• Le anisotropie (variazioni di temperatura da una zona all’ altra del cielo) sono inferiori a 100 parti per milione (300 milionesmi di grado o 300 μK) a qualunque scala angolare inferiore a 90 gradi.

• Le misure sono estremamente difficili, a causa dell’ emissione (10 K) e delle fluttuazioni di emissione (10 mK) dell’ atmosfera terrestre, molto maggiori del segnale da misurare.

• Le misure vanno fatte in alta montagna, o in Antartide, o da palloni stratosferici o da satelliti in orbita.

COBE-DMR• Sul satellite COBE (1992)

erano presenti dei radiometri differenziali (DMR), costruiti per ottenere una immagine della radiazione cosmica di fondo dall’ esterno dell’ atmosfera terrestre.

• L’ immagine e’ estremamente poco contrastata. Ma esistono davvero delle strutture, ad un livello di 10 parti per milione !.

• Le tre mappe a tutto cielo riportate a fianco differiscono a causa del rumore dei rivelatori.

• Siccome DMR non aveva un vero e proprio telescopio, le strutture piu’ grandi distinguibili nelle mappe hanno dimensioni di circa 10 gradi. Non e’ sufficiente !

Piano della Galassia



anisotropie

1o

(risoluzione 12’)

(risoluzione 7o)

“Notte stellata”, vista da:

Un vero telescopio per il fondo cosmico• E’ necessario un esperimento con risoluzione migliore di

un grado per poter fare la misura.• Per ottenere la risoluzione, si deve costruire un vero e

proprio telescopio per microonde, che permettera’:• di vedere l’ Universo primordiale• di studiare e vedere le protostrutture, i semi da cui

nasceranno le galassie, nella loro fase iniziale• di determinare la geometria dell’ universo, e quindi la sua

evoluzione passata e futura• di determinare la densita’ totale di massa ed energia, con

la quale va confrontata la somma di tutte le componenti note (materia luminosa, materia oscura, energia oscura) per vedere se il totale torna….

htt p

: // o

bero

n.ro

ma1

. infn

. it /

boom

e ran

ght

t p: /

/ ww

w.p

h ysi

c s.u

csb.

edu

/ ~bo

om

10

La scansione del cielo• L’ immagine del cielo deve essere costruita pazientemente, osservando una direzione alla volta e registrando i dati

• La scansione deve essere molto dolce e costante (da 1 a 2 gradi al secondo)

L’ arrivo di BOOMERanG / fine Ottobre 1998

avo o d asse b agg o e test de o st u e to a W a e d Nov. 98Lavoro di assemblaggio e test dello strumento a William Field – Nov. 98

Lavoro di assemblaggio e test dello strumento a William Field – Nov. 98

11

Lavoro di assemblaggio e test dello strumento a William Field – Nov. 98 Il lancio – 29 dic. 98

Il lancio: 29/12/1998 Il lancio: 29/12/1998

Il lancio – 29 dic. 98 Il viaggio fortunato dellanavicella: a 37 Km diquota, in balia dellecorrenti a getto, ha

circumnavigatol’ Antartide per tornare,dopo 8000 km di viaggio, vicino alla base di lancio.

L’ 8/1/1999, mentresorvolava il pack vicino

alla base, abbiamoinviato il telecomando

di separazione.Il giorno successivo

abbiamo potuto recuperarela navicella.

12

Qual’e’ la geometria dell’ Universo ?• Anche nel caso dell’

universo nel suo insieme, a grande scala, la relativita’generale ci assicura che massa ed energia presenti nell’ universo curvano lo spazio.

• Solo se la densita’ dell’ universo e’ esattamente pari a quella critica lo spazio non e’ curvo, e’ il normale spazio Euclideo, in cui due raggi di luce che partono paralleli non si incontrano mai

Spazio Piatto in 2 dimensioni

Spazio Piatto in 3 dimensioni

Qual’e’ la geometria dell’ Universo ?

• Ma se la densita’ e’ superiore a quella critica, lo spazio viene curvato. Due raggi di luce che partono paralleli prima o poi si incontrano.

• Non e’ strano: l’ analogo bidimensionale sono i paralleli terrestri, che partono paralleli dall’ equatore, ma si incontrano al polo !

Spazio Curvo in 2 dimensioni(curvatura positiva)

Spazio Curvo in 3 dimensioni (curvatura positiva)

Qual’e’ la geometria dell’ Universo ?

• Se invece la densita’ e’ inferiore a quella critica, lo spazio viene curvato nell’ altra direzione. Due raggi di luce che partono paralleli divergono.

• L’ analogo bidimensionale sono linee tracciate su una sella invece che su una sfera

Spazio curvo in 2 dimensioni(curvatura negativa)

Spazio curvo in 3 dimensioni (curvatura negativa)

Universo con densita’ critica

Ω=1

Ω>1

Ω<1

Universo con densita’ alta

Universo con densita’ bassa

Ω>1 Ω=1 Ω<1

Le dimensioni delle strutturenella radiazione di fondo

2o 1o

0.5o

Universo ad alta densita’ Universo a densita’critica Universo a bassa densita’

13

Di che dimensioni sono le strutture osservate ?• Esiste una procedura

matematica, chiamata spettro di potenza, che permette di rispondere alla domanda, calcolando qual’ e’ l’ abbondanza delle macchie di diverse dimensioni.

• Questa puo’ essere confrontata con la teoria

• La maggior parte delle macchie hanno dimensioni intorno ad 1 grado, come previsto per una geometria Euclidea, o piatta, dell’ Universo.

• quindi Ω=1 !

Conseguenze per la Cosmologia• L’ Universo ha una geometria Euclidea, quindi

secondo la relativita’ generale Ω=1 • Ma la materia visibile fornisce una densita’ pari

al 5% di quella critica, e quella oscura, secondo i dati piu’ recenti, e’ dell’ ordine del 30%. Qundi dovrebbe essere Ω =0.35.

• Manca all’ appello un 65% di massa o di energia !

• Le misure di Supernovae lontane le trovano piu’ deboli di quanto ci si aspetta. Forse l’ universo sta accelerando la sua espansione ? In tal caso, il 65% di massa/energia mancante potrebbe essere costituito da energia oscura repulsiva, la famosa costante cosmologica prima inventata e poi ripudiata da Einstein.

• Gli specialisti hanno denominato questa forma di energia “energia oscura”

10 milioni di anni luceT=300000 anni

Fluttuazioni di densita’illuminate dalla luce del fondo cosmico

Dimensioni subatomicheT=10-32s

Fluttuazioni quantistichedel brodo primordiale

Energie tipiche:1016 GeV

(100 milioni di miliardi di milardi di eV)

Transizione di fase

UNA FINESTRA SUI PRIMI ISTANTI E

SULLA FISICA DELLEALTISSIME ENERGIE

Chi crea le strutture ? Inflation !

Previsioni dell’ inflazione cosmica:• La geometria a grande scala deve essere

euclidea• Le fluttuazioni di densita’ devono essere

uguali a tutte le scale• Le fluttuazioni di temperatura devono

essere gaussiane• Si genera un fondo di onde gravitazionali

Le prime tre sono consistenti con i dati di BOOMERanG e di altri esperimenti. L’ ultima e’ tutta da verificare. Ci stiamo lavorando !

Bolometri sensibili alla polarizzazione

3 μm thickwire grids,Separated by60 μm, in the same grooveof a circular corrugatedwaveguide

Planck-HFItestbed

14

06/01/2003

• Planck is a satellite launched in the lagrangian point L2 of the Earth-Sun system, 1.5Mkm away from the Earth, beyond the moon orbit.

• From this advantagelocation it will mapthe Universe withunprecedentedsensitivity and resolution in the range 20-800 GHz

OLIMPO(http://oberon.roma1.infn.it/olimpo)

An arcmin-resolution survey of the sky

at mm and sub-mm wavelengths

Silvia Masi Dipartimento di Fisica La Sapienza, Roma

and

the OLIMPO team

Per saperne di piu’• http://oberon.roma1.infn.it/boomerang

• Sulla Cosmologia, a livello introduttivo– Livio Gratton: Origine ed evoluzione dell’ Universo – NIS– Steven Weinberg: I primi tre minuti – Oscar Mondadori

• Su BOOMERanG, a livello introduttivo– P. de Bernardis, S. Masi “Un click sull’ Universo”

Sapere, Giugno 2000 , pag.44-57– P. de Bernardis, S. Masi “BOOMERanG e la nuova immagine

dell’ Universo” Sapere, Agosto 2001 , pag.78-82– P. de Bernardis, S. Masi “BOOMERanG e la nuova

cosmologia”, Analysis, 4/2003 http://www.analysis-online.net/2003_4dic03.html

• Su Particelle Elementari e Cosmologia (introduttivo)– B. Greene – L’ Universo Elegante – Einaudi

• Sui telescopi– R. Panek - Vedere per credere – Tascabili Einaudi

Osservazioni del passato remoto dell’...

Documents

Transcript of Osservazioni del passato remoto dell’...