1965: LA SCOPERTA DELLA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO. Mario Zannoni

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1 1965: LA SCOPERTA DELLA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO Mario Zannoni 1 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

2 La scoperta della Radiazione Cosmica di Fondo a Microonde (CMB) compie 50 anni! Ma potrebbe compierne ben di più. Vediamo come è andata la storia 2 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

3 Antefatto: All epoca della pubblicazione della RG (1915), il modello di Universo accreditato era costituito da una visione statica della nostra galassia. Le altre galassie sono nebulose facenti parte della Via Lattea. Einstein introduce la Costante Cosmologica ờ nelle equazioni di campo allo scopo di avere una soluzione STATICA 3 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

4 Nel 1929 Edwin Hubble scopre la recessione delle galassie (UNIVERSO IN ESPANSIONE), che nel frattempo aveva stabilito essere oggetti esterni alla Via Lattea. Einstein considera ờ il suo più clamoroso errore. 4 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

5 L Universo non è statico: si espande 2 cosmologie rivali Big Bang vs Steady State George Gamow, Ralph Alpher, Robert Herman Modello per la nucleosintesi fallimentare (a parte gli elementi leggeri) Nucleosintesi stellare sembra lavorare meglio Predizione del fondo cosmico DIMENTICATA! Predizioni quantitative difficili a causa dei molti parametri liberi Fred Hoyle, Herman Bondi, Thomas Gold Assume solo nucleosintesi stellare elio, litio, deuterio possibili problemi Richiede nuova fisica Creazione continua di materia (non osservabile!) Limitazioni estremamente alte no evoluzione, no inomogeneità Fornisce previsioni affidabili Totalmente incompatibile con la CMB All inizio degli anni 60 non è chiaro chi abbia ragione 5 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

6 Nota: La CMB è nota come radiazione a 3 gradi Kelvin (2.726±0.010 K) perché ha uno spettro di corpo nero (o spettro di Planck). Caratteristica del corpo nero è quella di essere univocamente determinato da un solo parametro: la temperatura E(λ,T ) = 2hc2 λ 5 1 e hc λkt 1 6 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

7 La CMB, senza che venisse riconosciuta come tale, ha fatto capolino diverse volte nella ricerche astronomiche prima della scoperta ufficiale del 1965: vediamo quando 7 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

8 Nel 1941 S.W.Adams osserva righe di assorbimento del cianogeno (CN) interstellare per le quali A. McKeller stima una temperatura di eccitazione T=2.3 K che viene così commentata dallo stesso McKeller: which has of course a very restricted meaning 8 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

9 Nel 1948 compare il famoso articolo!-"-# a firma di G. Gamow, R. Alpher e R. Herman sulla sintesi primordiale degli elementi leggeri in cui viene calcolata la presenza di un fondo di radiazione elettromagnetica con spettro di corpo nero con una temperatura attuale T=10K, poi meglio stimata in 5K. Il fondo di radiazione è un risultato secondario del loro lavoro e sostanzialmente viene dimenticato, grazie anche alla polemica Hoyle-Gamow sostenitori dei modelli cosmologici rivali (Steady State e Big Bang) 9 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

10 Nel 1948 compare il famoso articolo!-"-# a firma di G. Gamow, R. Alpher e R. Herman sulla sintesi primordiale degli elementi leggeri in cui viene calcolata la presenza di un fondo di radiazione elettromagnetica con spettro di corpo nero con una temperatura attuale T=10K, poi meglio stimata in 5K. Il fondo di radiazione è un risultato secondario del loro lavoro e sostanzialmente viene dimenticato, grazie anche alla polemica Hoyle-Gamow sostenitori dei modelli cosmologici rivali (Steady State e Big Bang) 10 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

11 Nel 1948 Robert H. Dicke di Princeton, speculando su un universo chiuso e oscillante (una delle soluzioni delle equazioni di Friedmann) intuisce che l universo primordiale (primeval fireball) deve produrre un mare di radiazione di corpo nero che oggi è osservabile nelle microonde Dicke ha sempre dichiarato di essersi scordato del lavoro di Gamow 11 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

12 Due anni prima (1946) Dicke aveva usato un radiometro di sua invenzione per misurare l emissione nelle microonde dell atmosfera e della luna stabilendo un limite superiore (T<20K) alla radiazione termica di origine celeste. Un risultato sostanzialmente dimenticato anche dopo la scoperta del 1965 (sarà che il titolo dell articolo era Misure di assorbimento atmosferico con un radiometro a microonde?) 12 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

13 Nel 1959 Emile Le Roux dell osservatorio di Nancay vicino a Parigi, eseguendo una survey a 33cm riporta un fondo di segnale isotropo con T=3±2K Nel 1957 T. A. Shmaonov osservando a 3.2cm con il radiotelescopio da 22m di Pushkino trova un risultato simile T=4±3K! Sebbene questi risultati siano statisticamente compatibili con zero, a posteriori è lecito pensare che queste siano le prime misure della CMB! 13 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

14 Ma torniamo a Penzias e Wilson Nel 1960 la NASA lancia il satellite per telecomunicazioni ECHO!! I Bell-Lab costruiscono l ormai famosa antenna di Holmdel (NJ) per testare il principio di funzionamento di ECHO 14 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

15 1961 Ed Ohm, ingegnere dei Bell Labs, nel calibrare l antenna di Holmdel riporta un eccesso di segnale pari a 3.3K che attribuisce all antenna anziché al cielo Due cosmologi sovietici, Doroshkevich e Novikov, notano nel 1964 il lavoro di Ohm ma considerano il segnale visto come proveniente dall atmosfera terrestre! 15 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

16 1961 Ed Ohm, ingegnere dei Bell Labs, nel calibrare l antenna di Holmdel riporta un eccesso di segnale pari a 3.3K che attribuisce all antenna anziché al cielo Due cosmologi sovietici, Doroshkevich e Novikov, notano nel 1964 il lavoro di Ohm ma considerano il segnale visto come proveniente dall atmosfera terrestre! Ancora una volta gli scienziati si fanno sfuggire la Primula Rossa Sono Pazzi Questi Radioastronomi 16 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

17 Nel 1964 Arno Penzias e Robert Wilson iniziano una campagna osservativa con l antenna di Holmdel riscontrando lo stesso eccesso di segnale trovato da Ohm e proveniente apparentemente da TUTTO IL CIELO: Che davvero si generi all interno dell antenna? 17 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

18 Danno perciò il via a quella che 35 anni dopo si chiamerà COSMOLOGIA DI PRECISIONE 18 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

19 Contemporaneamente il gruppo di Dicke stava iniziando le misure!!!!!! "Well boys, we've been scooped!" 19 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

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21 Spettro in frequenza 21 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

22 La CMB è un istantanea dell Universo anni dopo il Big Bang 22 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

23 La CMB è un istantanea dell Universo anni dopo il Big Bang Anche se c è modo di vedere" ancora più indietro 23 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

24 In cielo però non c è solo la CMB, anzi 24 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

25 In cielo però non c è solo la CMB, anzi 25 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

26 Gli anni di COsmic Background Explorer ( ) 26 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

27 Gli anni di COsmic Background Explorer ( ) 27 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

28 Gli anni di COsmic Background Explorer ( ) Se la CMB fosse esattamente un corpo nero uguale dappertutto, l Universo sarebbe fatto di H ed He freddi ed uniformemente distribuiti. Per fortuna non è così! 28 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

29 Gli anni di COsmic Background Explorer ( ) Se guardiamo il cielo a 53 GHz con una sensibilità di 100mK 100μK!!!!! 10μK 29 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

30 Gli anni di COsmic Background Explorer ( ) 30 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

31 I satelliti WMAP e PLANCK 7 14' 5' 31 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

32 Anisotropia della CMB 32 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

33 Anisotropia della CMB T (α,δ ) = T 0 + ΔT (α,δ ) l,m ΔT (α,δ ) = a l,m Y l m (α,δ ) T (α,δ ) = T 0 + ΔT (α,δ ) c l = a l,m 2 ΔT (α,δ ) = a l,m Y l m (α,δ ) c l = a l,m 2 l,m θ = 180! l θ = 180! l Sviluppo in armoniche sferiche 33 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

34 Anisotropia della CMB 34 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

35 Anisotropia della CMB 35 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

36 Anisotropia della CMB e parametri cosmologici 36 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

37 Anisotropia della CMB e parametri cosmologici 37 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

38 Il futuro degli studi della CMB? La Polarizzazione I modi B sono direttamente riconducibili all'inflazione e si fa anche in Bicocca! 38 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

39 Il futuro degli studi della CMB? La Polarizzazione Il lensing gravitazionale mima i modi B 39 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015

40 La CMB, a 50 anni dalla sua scoperta (e 13.8 miliardi dalla sua nascita) è ancora giovane e attraente! 40 RelativitàCMB.key - 20 novembre 2015