Astronomia

Quanto tempo dopo il Big Bang le radiazioni della CMB sarebbero state comprese tra 273 e 373 K?

Quanto tempo dopo il Big Bang le radiazioni della CMB sarebbero state comprese tra 273 e 373 K?


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La radiazione cosmica di fondo a microonde è oggi di 2,7 K. Quando sarebbe stato tra 0 e 100 C?


La temperatura del fondo cosmico a microonde scala come l'inverso del fattore di scala cosmica $a$. cioè quando tutto era a metà della separazione che è ora, allora la CMB era il doppio della temperatura (assoluta). Il fattore di scala a sua volta è reciprocamente correlato al redshift di $a/a_0 = (1 +z)^{-1}$, dove $z$ è il redshift e $a_0$ è il fattore di scala attuale, solitamente assunto essere 1.

Da ciò vediamo che $$T(z) = T_0 (1+z),$$ dove $T(z)$ è la temperatura al redshift $z$ in qualche momento nel passato e $T_0 = 2,73$K è la temperatura del CMB ora. Per l'intervallo di temperature specificato sono necessari redshift nell'intervallo $99< z< 136$.

Passare da un redshift a un tempo nell'universo dal big bang non è così semplice. La risposta dipende da quelli che consideri i "parametri cosmologici" - cioè i valori della densità della materia cosmica, della densità dell'energia oscura e così via.

Tuttavia, possiamo evitare di guardare "sotto il cofano" e utilizzare un calcolatore di cosmologia. Quello a cui mi sono collegato è per un universo "piatto" e ha valori predefiniti per quelle che sono attualmente buone stime per la densità della materia e il parametro Hubble attuale. Per l'intervallo di $z$ che ho trovato sopra, questo corrisponde a un'età di tra 10,8 e 17,3 milioni di anni dopo il big bang.

Immagino che tu stia forse pensando a queste idee secondo cui la vita avrebbe potuto essere circa 15 milioni di anni dopo il big bang.


Sfondo cosmico a microonde – La luce del passato

Ti sei mai chiesto della nostra esistenza? Perché la terra è a una distanza precisa dal sole? se fosse stato un po' più lontano o più vicino, la terra sarebbe stata un posto completamente diverso. Scavare più a fondo nei misteri di questo vasto universo ci porterà alla fine ad alcune risposte soprannaturali. Per molto tempo filosofi e scienziati hanno pensato che il nostro universo fosse un cubo circondato da un mezzo, che chiamavano "etere". Dopo molto tempo dovuto a molte ricerche e osservazioni, gli scienziati si sono imbattuti in una spiegazione ragionevole del nostro universo. Diversi cosmologi hanno escogitato diversi modelli e spiegazioni su come tutto è iniziato. La teoria più accettabile tra queste era la teoria del big bang, secondo la quale l'universo sarebbe partito da una grande esplosione seguita da un'espansione esponenziale chiamata inflazione. Si possono trovare molte prove osservative per la teoria del big bang come la crescente distanza tra le galassie, il redshift cosmologico e così via. Una delle scoperte importanti e meravigliose è stata la rilevazione del fondo cosmico a microonde (CMB). Questo articolo riguarda la CMB e come ci ha aiutato ad aumentare la nostra comprensione del nostro universo.

Storia della scoperta di CMB

Nel 1948, due famosi scienziati, George Gamow e Ralph Alpher, predissero l'esistenza del fondo cosmico a microonde. Hanno stimato che la temperatura di questa radiazione fosse di 28 Kelvin. Ma questa idea non ha attirato l'attenzione del pubblico fino a quando, nel 1965, Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson hanno rilevato questa radiazione a microonde utilizzando un radiometro Dicke che è stato realizzato per misurare la radiazione CMB nel 1964. Penzias e Wilson stavano facendo esperimenti sulla radioastronomia e si sono imbattuti sorprendentemente in un rumore di fondo che pensavano fosse dovuto a un piccione. Ma un fatto interessante era che la radiazione era isotropa. Hanno spaventato i piccioni e hanno controllato di nuovo. Sorprendentemente, quel rumore era ancora lì. Hanno pubblicato i loro risultati e hanno confermato l'esistenza di CMB. Nel 1978 entrambi ricevettero il premio Nobel per la fisica per questa straordinaria scoperta (Griswold, 2016).

Cos'è lo sfondo cosmico a microonde? (CMB)?

CMB è la radiazione elettromagnetica residua del big bang. Questa radiazione è invisibile ad occhio nudo e per i telescopi ottici. Solo i radiotelescopi possono rilevare questo debole segnale che proviene da 13,8 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra (che è considerata la distanza massima che un essere umano può mai guardare e considerare come l'età dell'universo osservabile).

Secondo la teoria del big bang, l'universo è partito da un unico punto con densità e calore infiniti. A causa di ciò, l'universo è diventato instabile ed è esploso, iniziando ad espandersi in modo esponenziale (inflazione). A quel tempo, l'universo era così caldo e consisteva solo di plasma bianco caldo (particelle cariche). Non c'erano atomi neutri e nemmeno nuclei. Dopo 3.80.000 anni dopo il big bang, l'universo si è lentamente raffreddato e le particelle cariche si sono combinate (ricombinazione), che hanno portato alla formazione del primo atomo neutro (Griswold, 2016). Per la prima volta, l'universo divenne trasparente. Gli atomi erano in uno stato eccitato a causa dell'elevata energia e rilasciavano energia per essere stabili. Questa energia era costituita da fotoni (Photon decoupling) che ora possiamo vedere come radiazione cosmica di fondo a microonde. A causa dell'espansione dell'universo, questi fotoni si sono spostati verso il rosso e li rileviamo come radiazioni a microonde.

Il concetto di CMB è stato inizialmente controverso perché i cosmologi credevano nel modello dello stato stazionario in quel momento. Hanno sostenuto che questa è la luce diffusa da galassie lontane. Ma non potevano dimostrare la loro teoria attraverso le osservazioni.

Fluttuazioni di temperatura o anisotropia della temperatura CMB

Se osserviamo il cielo cosmico a microonde, possiamo vedere che la temperatura del CMB non è la stessa in tutte le direzioni come dovrebbe essere secondo i calcoli teorici. Queste piccole fluttuazioni della temperatura con una temperatura media di 2,725 Kelvin nel cielo sono le anisotropie della temperatura di fondo delle microonde. Gli scienziati affermano che ciò è dovuto a due ragioni: una è una variazione di temperatura intrinseca all'ultima superficie di dispersione (la sfera formata dall'intersezione della nostra passata luce con e l'ipersuperficie corrispondente al tempo di disaccoppiamento dei fotoni) e l'altra è la variazione di temperatura dovuta al redshift dei fotoni che subiscono durante il loro viaggio verso di noi.

L'anisotropia della temperatura osservata del CMB è composta da due contributi,
inizio
Big(fracGrande)_=ig(fracgrande)_+ Big(fracGrande)_,
fine
dove il primo termine dell'R.H.S rappresenta la variazione intrinseca all'ultima superficie di dispersione e il secondo termine mostra la variazione dei fotoni di spostamento verso il rosso che hanno subito durante il loro viaggio fino all'universo attuale’.


La vita aliena si è evoluta subito dopo il Big Bang?

I terrestri potrebbero essere i ritardatari estremi di un universo pieno di vita, con microbi alieni che potrebbero brulicare su esopianeti a partire da appena 15 milioni di anni dopo il Big Bang, suggerisce una nuova ricerca.

Tradizionalmente, gli astrobiologi desiderosi di risolvere il mistero dell'origine della vita nell'universo cercano pianeti in zone abitabili intorno alle stelle. Conosciute anche come zone di Riccioli d'oro, queste regioni sono considerate alla giusta distanza dalle stelle per l'acqua liquida, un prerequisito per la vita come la conosciamo, per esistere.

Ma anche gli esopianeti che orbitano ben oltre la zona abitabile potrebbero essere stati in grado di sostenere la vita in un lontano passato, riscaldati dalla radiazione residua del Big Bang che ha creato l'universo 13,8 miliardi di anni fa, afferma l'astrofisico di Harvard Abraham Loeb. [Il Big Bang ad oggi in 10 semplici passaggi]

Per fare un confronto, le prime prove di vita sulla Terra risalgono a 3,8 miliardi di anni fa, circa 700 milioni di anni dopo la formazione del nostro pianeta.

'Caldo giorno d'estate'

Subito dopo il Big Bang, il cosmo era un posto molto più caldo. Era pieno di plasma frizzante - gas surriscaldato - che si raffreddava gradualmente. La prima luce prodotta da questo plasma è la radiazione cosmica di fondo (CMB) che osserviamo oggi, che risale a circa 389.000 anni dopo il Big Bang.

Ora il CMB è gelido - circa meno 454 gradi Fahrenheit (meno 270 gradi Celsius 3 Kelvin). Si è raffreddato gradualmente con l'espansione dell'universo, e ad un certo punto durante il processo di raffreddamento, per un breve periodo di circa sette milioni di anni, la temperatura era giusta per la formazione della vita - tra 31 e 211 gradi Fahrenheit (0 e 211 gradi Fahrenheit). 100 gradi Celsius 273 e 373 Kelvin).

È il calore della CMB che avrebbe permesso all'acqua di rimanere liquida sugli antichi esopianeti, ha detto Loeb.

"Quando l'universo aveva 15 milioni di anni, il fondo cosmico a microonde aveva la temperatura di una calda giornata estiva sulla Terra", ha detto. "Se esistessero pianeti rocciosi in quell'epoca, la CMB avrebbe potuto mantenere calda la loro superficie anche se non risiedessero nella zona abitabile attorno alla loro stella madre". [Galleria: la navicella spaziale Planck vede le reliquie del Big Bang]

Ma la domanda è se i pianeti, e in particolare i pianeti rocciosi, potrebbero già essersi formati in quella prima epoca.

Secondo il modello cosmologico standard, le primissime stelle hanno iniziato a formarsi da idrogeno ed elio decine di milioni di anni dopo il Big Bang. Non c'erano ancora elementi pesanti, necessari per la formazione del pianeta.

Questi primi pianeti sarebbero stati immersi nella calda radiazione CMB e quindi, sostiene Loeb, sarebbe stato possibile per loro avere acqua liquida sulla loro superficie per diversi milioni di anni.

Loeb dice che un modo per testare la sua teoria è cercare nella nostra galassia, la Via Lattea, pianeti attorno a stelle quasi privi di elementi pesanti. Tali stelle sarebbero gli analoghi vicini dei primi pianeti nell'universo nascente.

Costante o no?

Sulla base delle sue scoperte, Loeb sfida anche l'idea in cosmologia nota come principio antropico. Questo concetto tenta di spiegare i valori dei parametri fondamentali sostenendo che gli esseri umani non sarebbero potuti esistere in un universo in cui questi parametri erano diversi da come sono.

Quindi, mentre potrebbero esserci molte regioni in un "multiverso" più grande in cui i valori di questi parametri variano, gli esseri intelligenti dovrebbero esistere solo in un universo come il nostro, dove questi valori sono squisitamente sintonizzati per la vita.

Per esempio, Albert Einstein identificò un parametro fondamentale, soprannominato la costante cosmologica, nella sua teoria della gravità. Si pensa che questa costante spieghi l'espansione accelerata dell'universo.

Conosciuta anche come energia oscura, questa costante può essere interpretata come la densità energetica del vuoto, uno dei parametri fondamentali del nostro universo.

Il ragionamento antropico suggerisce che potrebbero esserci valori diversi per questo parametro in diverse regioni del multiverso, ma il nostro universo è stato creato con la giusta costante cosmologica per consentire la nostra esistenza e consentirci di osservare il cosmo intorno a noi.

Loeb non è d'accordo. Dice che la vita potrebbe essere emersa nell'universo primordiale anche se la costante cosmologica fosse un milione di volte più grande di quella osservata, aggiungendo che "l'argomento antropico ha un problema nello spiegare il valore osservato della costante cosmologica".

Edwin Turner, professore di scienze astrofisiche all'Università di Princeton, che non è stato coinvolto nel nuovo studio, ha definito la ricerca "molto originale, stimolante e stimolante".

Anche l'astrofisico Joshua Winn del Massachusetts Institute of Technology, che non ha preso parte allo studio, è d'accordo.

"Nel nostro campo, è diventato tradizionale adottare una definizione di pianeta 'potenzialmente abitabile' come uno che ha una superficie solida e una temperatura superficiale favorevole all'acqua liquida", ha detto. "Molti, molti articoli sono stati scritti sul condizioni esatte in cui potremmo trovare tali pianeti - che tipo di composizione interna, atmosfera e campo di radiazione stellare. Avi ha portato questo punto a un estremo logico, sottolineando che se queste due condizioni sono davvero le uniche condizioni importanti, allora c'è un altro modo per ottenerle, ovvero utilizzare il fondo cosmico a microonde".


Il mistero sull'espansione dell'universo si approfondisce con nuovi dati

Una nuova mappa dell'Universo primordiale ha rafforzato un enigma di lunga data in astronomia su quanto velocemente si sta espandendo il cosmo. I dati, raccolti utilizzando un telescopio nel deserto di Atacama in Cile, confermano le precedenti stime dell'età, della geometria e dell'evoluzione dell'Universo. Ma i risultati si scontrano con le misurazioni della velocità con cui le galassie si allontanano l'una dall'altra e prevedono che l'Universo dovrebbe espandersi a un ritmo significativamente più lento di quello attualmente osservato.

L'Atacama Cosmology Telescope (ACT) ha mappato il fondo cosmico a microonde (CMB), l'"ultimo bagliore" di radiazioni del Big Bang. I risultati, basati sui dati raccolti dal 2013 al 2016, sono stati pubblicati il ​​15 luglio in due preprint sul repository arXiv 1 , 2 .

Il finale del telescopio Big Bang segna la fine di un'era in cosmologia

La radiazione CMB proviene da tutte le direzioni dello spazio, ma non è perfettamente uniforme: le sue variazioni nel cielo rivelano che le regioni dell'Universo primordiale differivano leggermente in temperatura, di meno di 0,03 kelvin. Negli ultimi due decenni, i cosmologi hanno usato quelle minuscole variazioni - insieme a una teoria consolidata che chiamano modello standard - per calcolare alcune delle caratteristiche chiave della struttura e dell'evoluzione dell'Universo, compresa la sua età e la densità della materia.

I cosmologi usano anche le variazioni per prevedere la velocità con cui l'Universo si sta attualmente espandendo, una misura nota come costante di Hubble dall'astronomo statunitense Edwin Hubble.

Il telescopio Planck dell'Agenzia spaziale europea ha mappato l'intero cielo della CMB dal 2009 al 2013 con una precisione senza precedenti e le sue osservazioni sono considerate il gold standard della cosmologia della CMB. I dati ACT ora confermano i risultati di Planck e producono un valore molto simile per la costante di Hubble.

Ma nessuno dei due risultati corrisponde alle misurazioni dirette della costante di Hubble, una discrepanza che è diventata nota come tensione della costante di Hubble. Gli astronomi che usano la luminosità di particolari tipi di stelle ed esplosioni di supernova, chiamate collettivamente candele standard, per calcolare il tasso di espansione, scoprono che le galassie si allontanano l'una dall'altra circa il 10% più velocemente di quanto previsto dalle mappe CMB.

Molti ricercatori avevano sperato che man mano che le tecniche diventavano più accurate, il divario si sarebbe ridotto. Invece, il restringimento delle barre di errore per ogni tipo di studio ha solo reso l'incoerenza più significativa.

Il telescopio cosmologico di Atacama. Credito: Debra Kellner

L'ACT è il primo esperimento CMB a terra che avrebbe potuto mettere in discussione i risultati di Planck, afferma Erminia Calabrese, cosmologa dell'Università di Cardiff, nel Regno Unito, che ha guidato l'analisi dei dati. Il design e la posizione del telescopio, appena all'interno dei tropici, gli consentono di mappare una parte maggiore del cielo della CMB rispetto ad altri telescopi terrestri o a palloncino, che sono stati generalmente limitati a regioni più piccole.

La mappatura del cielo su larga scala è fondamentale per calcolare i parametri chiave dell'espansione cosmica, afferma Calabrese. Un altro punto di forza dell'ACT è stato che un aggiornamento nel 2013 gli ha permesso di effettuare misurazioni precise della polarizzazione della radiazione CMB, afferma la ricercatrice principale Suzanne Staggs della Princeton University nel New Jersey. I dati di polarizzazione rivelano come le galassie in primo piano influenzano il viaggio della CMB e aiutano a rendere più precise le misurazioni cosmologiche.

"Per la prima volta abbiamo due set di dati misurati in modo indipendente e con una precisione sufficiente per fare un confronto", afferma Calabrese. Essendo stata anche membro del team di Planck, afferma che è stato un sollievo scoprire che le previsioni della costante di Hubble dei due esperimenti concordavano entro lo 0,3%.

25 anni a studiare l'ultimo bagliore del Big Bang

Questo accordo tra ACT e Planck sulla costante di Hubble è "una pietra miliare davvero importante", afferma Paul Steinhardt, fisico teorico dell'Università di Princeton. "Sono molto impressionato dalla qualità dei nuovi dati e dalla loro analisi", aggiunge.

"È sempre bello avere controlli indipendenti e penso che questo lo fornisca davvero", afferma Wendy Freedman, astronomo dell'Università di Chicago in Illinois e pioniere della candela standard. Adam Riess, astronomo della Johns Hopkins University di Baltimora, nel Maryland, che ha guidato gran parte del lavoro all'avanguardia sulle candele standard, afferma che l'accordo dei dati ACT con Planck è "rassicurante" e "una testimonianza della qualità degli sperimentatori 'lavoro e attenzione”.

Ma la tensione sulla costante di Hubble rimane. Le tecniche sviluppate da diversi team, tra cui uno guidato da Freedman, potrebbero aiutare a risolverlo. Steinhardt pensa che le misurazioni alla fine convergeranno man mano che gli sperimentali perfezionano i loro metodi.

Ma Riess dice che forse è il modello standard della cosmologia che è invece sbagliato. "La mia sensazione istintiva è che ci sia qualcosa di interessante in corso."


A un certo punto la radiazione di fondo dell'universo era della stessa lunghezza d'onda della radiazione che usiamo nei forni a microonde?

Stavo pensando a quale evento catastrofico sarebbe stato in termini di formazione di acqua liquida nell'universo e qualsiasi effetto che avrebbe avuto sulla vita se fosse esistita in quel momento. Questa domanda che avevo intenzione di fare da molto tempo.

I forni a microonde sono circa 2 GHz, ma il fondo cosmico a microonde ha un picco di oltre 100 GHz (sebbene il "picco" di una distribuzione di energia tecnicamente non abbia una risposta, quindi questo è solo un valore approssimativo). Quindi i singoli fotoni hanno effettivamente un'energia maggiore dei fotoni dei forni a microonde. È solo che il flusso di questi fotoni è davvero piccolo.

Per il CMB, stiamo ottenendo microwatt per metro quadrato. Per un forno a microonde, hai circa un chilowatt in uno spazio ristretto. Tale intensità è il fattore chiave per il riscaldamento.

Vale a dire, ci sarà un certo punto nel futuro quando la CMB è passata al redshift a 2,4 GHz.

La temperatura del CMB è scesa sotto i 373 kelvin, la temperatura alla quale l'acqua bolle alla pressione di 1 atm, -10 milioni di anni dopo il big bang, ed era già sotto i 273 k, il punto di congelamento, 17 milioni di anni dopo il big bang. . Non ci sarebbe stata acqua in quel momento perché non c'era ossigeno. All'indomani del big bang tutta la materia barionica iniziò come protoni e neutroni solitari, e c'era solo una finestra di 20 minuti in cui queste particelle potevano combinarsi in elementi più pesanti dell'idrogeno prima che l'universo si raffreddasse troppo per la fusione. Non entrerò nella chimica nucleare qui, ma la formazione di elementi più pesanti del litio (o del berillio di breve durata) richiede la fusione del carbonio-12 da 3 nuclei di elio, che è un processo molto lento che non sarebbe potuto accadere in quantità più che evanescenti in quella breve finestra. La formazione dell'ossigeno dovrebbe attendere fino alla formazione delle stelle, che è improbabile che sia avvenuta prima di 30 milioni di anni dopo il big bang e non in quantità significativa fino a 180 milioni di anni dopo il big bang.


Radiazione cosmica di fondo a microonde

In cosmologia, radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) (anche CMBR, CBR, MBR, e radiazione reliquia) è una forma di radiazione elettromagnetica che riempie l'universo. Con un telescopio ottico tradizionale, lo spazio tra stelle e galassie (il ( sfondo) è nero come la pece. Ma con un radiotelescopio, c'è un debole bagliore di fondo, quasi esattamente lo stesso in tutte le direzioni, che non è associato a nessuna stella, galassia o altro oggetto. Questo bagliore è più forte nella regione delle microonde dello spettro radio, da cui il nome radiazione cosmica di fondo a microonde. La scoperta della CMB nel 1964 da parte dei radioastronomi Arno Penzias e Robert Wilson fu il culmine del lavoro iniziato negli anni '40 e valse loro il Premio Nobel nel 1978.

Il CMBR è ben spiegato dal modello del Big Bang –: quando l'universo era giovane, prima della formazione di stelle e pianeti, era più piccolo, molto più caldo e pieno di un bagliore uniforme dalla sua nebbia incandescente di plasma di idrogeno. Secondo il modello, la radiazione dal cielo che misuriamo oggi proviene da una superficie sferica chiamata superficie dell'ultima dispersione. Man mano che l'universo si espandeva, sia il plasma che la radiazione che lo riempiva si raffreddavano. Quando l'universo si è sufficientemente raffreddato, potrebbero formarsi atomi stabili. Questi atomi non potevano più assorbire la radiazione termica e l'universo divenne trasparente invece di essere una nebbia opaca. I fotoni che c'erano in quel momento si sono propagati da allora, sebbene diventino più deboli e meno energetici, poiché gli stessi fotoni esatti riempiono un universo sempre più grande. Questa è la fonte del termine radiazione reliquia, un altro nome per il CMBR.

Le misurazioni precise della radiazione cosmica di fondo sono fondamentali per la cosmologia, poiché qualsiasi modello proposto dell'universo deve spiegare questa radiazione. Il CMBR ha uno spettro di corpo nero termico a una temperatura di 2,725   K, quindi i picchi dello spettro nella frequenza della gamma delle microonde di 160,2   GHz, corrispondente a una lunghezza d'onda di 1,9   mm. Il bagliore è quasi, ma non del tutto, uniforme in tutte le direzioni e mostra uno schema molto specifico uguale a quello previsto se la casualità intrinseca di un gas incandescente viene fatta esplodere fino alle dimensioni dell'universo. In particolare, lo spettro di potenza spaziale (quanta differenza si osserva rispetto alla distanza delle regioni nel cielo) contiene piccole anisotropie, o irregolarità, che variano con le dimensioni della regione esaminata. Sono stati misurati in dettaglio e corrispondono a ciò che ci si aspetterebbe se le piccole fluttuazioni termiche si fossero espanse fino alle dimensioni dello spazio osservabile che possiamo rilevare oggi. Questo è ancora un campo di studio molto attivo, con gli scienziati che cercano sia dati migliori (ad esempio, la navicella spaziale Planck) sia interpretazioni migliori delle condizioni iniziali di espansione.

Sebbene molti processi diversi possano produrre la forma generale di uno spettro di corpo nero, nessun modello diverso dal Big Bang ha ancora spiegato le fluttuazioni. Di conseguenza, la maggior parte dei cosmologi considera il modello del Big Bang dell'universo come la migliore spiegazione per il CMBR.

Questo testo utilizza materiale da Wikipedia, concesso in licenza con CC BY-SA


L'Istituto per la ricerca sulla creazione

Il 21 marzo 2013, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha pubblicato una nuova immagine della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), generata dai dati raccolti dal telescopio spaziale Planck. I cosmologi del Big Bang interpretano la CMB come una radiazione "residua" di un periodo di circa 380.000 anni dopo il presunto Big Bang. 1 Queste sono le immagini a più alta risoluzione della CMB fino ad oggi.

La capacità della sonda Planck di rilevare minime fluttuazioni di temperatura (circa un milionesimo di grado Celsius) nella CMB è sicuramente tecnologicamente impressionante. Per misurare queste minuscole fluttuazioni, i rivelatori del satellite sono stati raffreddati alla temperatura incredibilmente bassa di appena un decimo di grado sopra lo zero assoluto (circa -273 ºC)! 2

Queste misurazioni di maggiore precisione hanno portato a revisioni in alcuni dei numeri importanti per i cosmologi del Big Bang. Ora hanno rivisto la loro stima dell'età dell'universo leggermente verso l'alto a 13,8 miliardi di anni. Hanno anche apportato piccole revisioni alle loro stime per la quantità di "energia oscura" e "materia oscura" che credono esistano.

I media stanno facendo affermazioni in qualche modo contraddittorie sui dati di Planck. Si dice che i dati supportano il modello del Big Bang dell'origine dell'universo, ma anche che ci sono caratteristiche inaspettate nei dati. Gran Bretagna's Il Telegrafo, ad esempio, ha affermato che "nuove immagini che catturano la "luce più antica" dell'universo hanno confermato la teoria del Big Bang, ma hanno rivelato nuovi misteri che non sono spiegati dagli attuali modelli scientifici". 3

In effetti, l'Agenzia spaziale europea ha notato che alcune delle caratteristiche inspiegabili della CMB potrebbero "richiedere una nuova fisica per essere comprese". 4 Il sito web del CNES, l'agenzia spaziale francese, è arrivato persino a riconoscere che l'esistenza di queste anomalie nella CMB "potrebbero sfidare le fondamenta stesse della cosmologia". 5

Nuova fisica? Sfidare i fondamenti della cosmologia? Come possono quindi i sostenitori del Big Bang affermare che questi nuovi dati confermano il Big Bang?

I cristiani che credono nella Bibbia dovrebbero accogliere con favore queste misurazioni di maggiore precisione. Questi dati hanno confermato l'esistenza di una "asimmetria" nel CMB tra emisferi opposti del cielo che indica una direzione preferita o speciale nello spazio. Questo cosiddetto "asse del male" aveva precedentemente turbato i cosmologi del Big Bang, poiché il modello del Big Bang prevede che l'universo dovrebbe essere isotropo, cioè lo stesso in qualsiasi direzione nello spazio. Quindi ci dovrebbe non essere qualsiasi direzione preferita nello spazio! Questo è un fondamentale ipotesi della cosmologia del Big Bang. 6 Come conseguenza di questa ipotesi, i cosmologi del Big Bang si aspettano che anche il CMB (con l'eccezione di queste differenze di temperatura molto piccole) sia isotropo. Eppure il satellite Planck ha confermato l'esistenza di questa anomalia che viola il loro presupposto.

George Efstathiou, uno dei principali ricercatori della missione Planck, ha descritto questa asimmetria come un "risultato estremamente strano". 7 A causa della risoluzione inferiore delle precedenti misurazioni della CMB, i cosmologi del Big Bang potrebbero in precedenza sostenere che questa sospetta anomalia potrebbe non essere reale. Ora che è stata confermata l'esistenza, non hanno più questa comoda opzione.

I dati più recenti e ad alta risoluzione possono solo significare "cattive notizie" per coloro che cercano di spiegare la nostra esistenza a parte il nostro Creatore. Ai tempi di Darwin, la completa ignoranza della fantastica complessità della cellula ha contribuito a oscurare alcune delle enormi difficoltà negli scenari secolari di "origine della vita". Una maggiore conoscenza e comprensione del funzionamento interno della cellula ha esposto ancora più problemi nelle affermazioni evolutive. Questa tendenza in biologia si rivelerà senza dubbio vera anche in astronomia e cosmologia.

  1. Rundle, M. Il satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea rivela l'immagine più precisa mai realizzata dell'universo primordiale. L'Huffington Post. Pubblicato su www.huffington.post 21/03/2013, consultato il 25/03/2013.
  2. TC Inflazione e creazione. L'economista. Pubblicato su www.economist.com 21/03/2013, consultato il 25/03/2013.
  3. Collins, N. Nuove immagini confermano la teoria del Big Bang. Il Telegrafo. Pubblicato su www.telegraph.co.uk il 21/03/2013, consultato il 25/03/2013.
  4. Paramaguru, K. Planck Immagine satellitare mappa la "luce più antica" dell'universo. Tempo Newsfeed. Pubblicato su www.newsfeed.time.com il 22/03/2013, consultato il 25/03/2013.
  5. Anonimo. Notizie del CNES.Presentazione dei primi risultati cosmologici della missione Planck e delle sue prime immagini di tutto il cielo del Cosmic Microwave Background. Inserito su www.smsc.fr il 21/03/2013, consultato il 25/03/2013.
  6. Bergströumlm, L. e Goobar, A. 2006. Cosmologia e astrofisica delle particelle 2a ed. Chichester, Regno Unito: Springer Praxis Publishing, 61.
  7. Il telescopio Peplow, M. Planck scruta nell'Universo primordiale. Natura. Pubblicato su www.nature.com 21/03/2013, consultato il 25/03/2013.

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Lo sfondo

Nel 1964/5, Penzias e Wilson scoprirono che la terra era immersa in una debole radiazione a microonde, apparentemente proveniente dalle regioni osservabili più lontane dell'universo, e questo valse loro il Premio Nobel per la Fisica nel 1978. 1 Questo Fondo Cosmico a Microonde ( CMB) proviene da tutte le direzioni dello spazio e ha una temperatura caratteristica. 2 , 3 Mentre la scoperta del CMB è stata definita una previsione di successo del modello del big bang, 4 in realtà è un problema per il big bang. Questo perché la temperatura esattamente uniforme del CMB crea un problema di viaggio della luce e tempo di percorrenza per i modelli del big bang dell'origine dell'universo.


29.4 Lo sfondo cosmico del microonde

​La descrizione dei primi minuti dell'universo si basa su calcoli teorici. È fondamentale, tuttavia, che una teoria scientifica sia verificabile. Che previsioni fa? E le osservazioni mostrano che quelle previsioni sono accurate? Un successo della teoria dei primi minuti dell'universo è la corretta previsione della quantità di elio nell'universo.

Un'altra previsione è che una pietra miliare significativa nella storia dell'universo si sia verificata circa 380.000 anni dopo il Big Bang. Gli scienziati hanno osservato direttamente com'era l'universo in questa fase iniziale e queste osservazioni offrono uno dei più forti supporti per la teoria del Big Bang. Per scoprire quale sia stata questa pietra miliare, diamo un'occhiata a cosa ci dice la teoria su ciò che è accaduto durante le prime centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang.

La fusione di elio e litio è stata completata quando l'universo aveva circa 4 minuti. L'universo ha poi continuato ad assomigliare in qualche modo all'interno di una stella per qualche centinaio di migliaia di anni ancora. Rimase caldo e opaco, con radiazioni disperse da una particella all'altra. Faceva ancora troppo caldo perché gli elettroni si "assestassero" e si associassero a un particolare nucleo, tali elettroni liberi sono particolarmente efficaci nella diffusione dei fotoni, assicurando così che nessuna radiazione sia mai arrivata molto lontano nell'universo primordiale senza che il suo percorso sia cambiato. In un certo senso, l'universo era come un'enorme folla subito dopo un concerto popolare se ti separi da un amico, anche se indossa un bottone lampeggiante, è impossibile vedere attraverso la folla densa per individuarlo. Solo dopo che la folla si è diradata c'è un percorso per la luce dal suo pulsante per raggiungerti.

L'universo diventa trasparente

Solo poche centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang, quando la temperatura era scesa a circa 3000 K e la densità dei nuclei atomici a circa 1000 per centimetro cubo, gli elettroni e i nuclei riuscirono a combinarsi per formare atomi stabili di idrogeno e elio ([link]). Senza elettroni liberi per disperdere i fotoni, l'universo è diventato trasparente per la prima volta nella storia cosmica. Da questo punto in poi materia e radiazione hanno interagito molto meno frequentemente diciamo che loro disaccoppiato l'uno dall'altro e si sono evoluti separatamente. Improvvisamente, la radiazione elettromagnetica potrebbe davvero viaggiare, e da allora ha viaggiato attraverso l'universo.

Scoperta della radiazione cosmica di fondo

Se il modello dell'universo descritto nella sezione precedente è corretto, allora, mentre guardiamo molto verso l'esterno nell'universo e quindi molto indietro nel tempo, il primo "bagliore" del caldo universo primordiale dovrebbe essere ancora rilevabile. Osservarlo sarebbe una prova molto forte che i nostri calcoli teorici su come si è evoluto l'universo sono corretti. Come vedremo, abbiamo effettivamente rilevato la radiazione emessa in questo momento di disaccoppiamento dei fotoni, quando la radiazione iniziò a fluire liberamente attraverso l'universo senza interagire con la materia (Figura).

Sfondo cosmico a microonde e nuvole a confronto.

Figure 1. (a) Early in the universe, photons (electromagnetic energy) were scattering off the crowded, hot, charged particles and could not get very far without colliding with another particle. But after electrons and photons settled into neutral atoms, there was far less scattering, and photons could travel over vast distances. The universe became transparent. As we look out in space and back in time, we can’t see back beyond this time. (b) This is similar to what happens when we see clouds in Earth’s atmosphere. Water droplets in a cloud scatter light very efficiently, but clear air lets light travel over long distances. So as we look up into the atmosphere, our vision is blocked by the cloud layers and we can’t see beyond them. (credit: modification of work by NASA)​

​The detection of this afterglow was initially an accident. In the late 1940s, Ralph Alpher and Robert Herman, working with George Gamow, realized that just before the universe became transparent, it must have been radiating like a blackbody at a temperature of about 3000 K—the temperature at which hydrogen atoms could begin to form. If we could have seen that radiation just after neutral atoms formed, it would have resembled radiation from a reddish star. It was as if a giant fireball filled the whole universe.

But that was nearly 14 billion years ago, and, in the meantime, the scale of the universe has increased a thousand fold. This expansion has increased the wavelength of the radiation by a factor of 1000 (see [link]). According to Wien’s law, which relates wavelength and temperature, the expansion has correspondingly lowered the temperature by a factor of 1000 (see the chapter on Radiation and Spectra).

Alpher and Herman predicted that the glow from the fireball should now be at radio wavelengths and should resemble the radiation from a blackbody at a temperature only a few degrees above absolute zero. Since the fireball was everywhere throughout the universe, the radiation left over from it should also be everywhere. If our eyes were sensitive to radio wavelengths, the whole sky would appear to glow very faintly. However, our eyes can’t see at these wavelengths, and at the time Alpher and Herman made their prediction, there were no instruments that could detect the glow. Over the years, their prediction was forgotten.

In the mid-1960s, in Holmdel, New Jersey, Arno Penzias and Robert Wilson of AT&T’s Bell Laboratories had built a delicate microwave antenna (Figure) to measure astronomical sources, including supernova remnants like Cassiopeia A (see the chapter on The Death of Stars). They were plagued with some unexpected background noise, just like faint static on a radio, which they could not get rid of. The puzzling thing about this radiation was that it seemed to be coming from all directions at once. This is very unusual in astronomy: after all, most radiation has a specific direction where it is strongest—the direction of the Sun, or a supernova remnant, or the disk of the Milky Way, for example.

Robert Wilson (left) and Arno Penzias (right).

Figure 2. These two scientists are standing in front of the horn-shaped antenna with which they discovered the cosmic background radiation. The photo was taken in 1978, just after they received the Nobel Prize in physics.​

​Penzias and Wilson at first thought that any radiation appearing to come from all directions must originate from inside their telescope, so they took everything apart to look for the source of the noise. They even found that some pigeons had roosted inside the big horn-shaped antenna and had left (as Penzias delicately put it) “a layer of white, sticky, dielectric substance coating the inside of the antenna.” However, nothing the scientists did could reduce the background radiation to zero, and they reluctantly came to accept that it must be real, and it must be coming from space.

Penzias and Wilson were not cosmologists, but as they began to discuss their puzzling discovery with other scientists, they were quickly put in touch with a group of astronomers and physicists at Princeton University (a short drive away). These astronomers had—as it happened—been redoing the calculations of Alpher and Herman from the 1940s and also realized that the radiation from the decoupling time should be detectable as a faint afterglow of radio waves. The different calculations of what the observed temperature would be for this cosmic microwave background (CMB) 1 were uncertain, but all predicted less than 40 K.

Penzias and Wilson found the distribution of intensity at different radio wavelengths to correspond to a temperature of 3.5 K. This is very cold—closer to absolute zero than most other astronomical measurements—and a testament to how much space (and the waves within it) has stretched. Their measurements have been repeated with better instruments, which give us a reading of 2.73 K. So Penzias and Wilson came very close. Rounding this value, scientists often refer to “the 3-degree microwave background.”

Many other experiments on Earth and in space soon confirmed the discovery by Penzias and Wilson: The radiation was indeed coming from all directions (it was isotropic) and matched the predictions of the Big Bang theory with remarkable precision. Penzias and Wilson had inadvertently observed the glow from the primeval fireball. They received the Nobel Prize for their work in 1978. And just before his death in 1966, Lemaître learned that his “vanished brilliance” had been discovered and confirmed.

You may enjoy watchingThree Degrees, a26-minute videofrom Bell Labs about Penzias and Wilson’s discovery of the cosmic background radiation (with interesting historical footage).

Properties of the Cosmic Microwave Background

One issue that worried astronomers is that Penzias and Wilson were measuring the background radiation filling space through Earth’s atmosphere. What if that atmosphere is a source of radio waves or somehow affected their measurements? It would be better to measure something this important from space.

The first accurate measurements of the CMB were made with a satellite orbiting Earth. Named the Cosmic Background Explorer (COBE), it was launched by NASA in November 1989. The data it received quickly showed that the CMB closely matches that expected from a blackbody with a temperature of 2.73 K (Figure). This is exactly the result expected if the CMB was indeed redshifted radiation emitted by a hot gas that filled all of space shortly after the universe began.

​Cosmic Background Radiation.

Figure 3. The solid line shows how the intensity of radiation should change with wavelength for a blackbody with a temperature of 2.73 K. The boxes show the intensity of the cosmic background radiation as measured at various wavelengths by COBE’s instruments. The fit is perfect. When this graph was first shown at a meeting of astronomers, they gave it a standing ovation.​

​The first important conclusion from measurements of the CMB, therefore, is that the universe we have today has indeed evolved from a hot, uniform state. This observation also provides direct support for the general idea that we live in an evolving universe, since the universe is cooler today than it was in the beginning.

Small Differences in the CMB

It was known even before the launch of COBE that the CMB is extremely isotropic. In fact, its uniformity in every direction is one of the best confirmations of the cosmological principle— that the universe is homogenous and isotropic.

According to our theories, however, the temperature could not have been perfettamente uniform when the CMB was emitted. After all, the CMB is radiation that was scattered from the particles in the universe at the time of decoupling. If the radiation were completely smooth, then all those particles must have been distributed through space absolutely evenly. Yet it is those particles that have become all the galaxies and stars (and astronomy students) that now inhabit the cosmos. Had the particles been completely smoothly distributed, they could not have formed all the large-scale structures now present in the universe—the clusters and superclusters of galaxies discussed in the last few chapters.

The early universe must have had tiny density fluctuations from which such structures could evolve. Regions of higher-than-average density would have attracted additional matter and eventually grown into the galaxies and clusters that we see today. It turned out that these denser regions would appear to us to be colder spots, that is, they would have lower-than-average temperatures.

The reason that temperature and density are related can be explained this way. At the time of decoupling, photons in a slightly denser portion of space had to expend some of their energy to escape the gravitational force exerted by the surrounding gas. In losing energy, the photons became slightly colder than the overall average temperature at the time of decoupling. Vice versa, photons that were located in a slightly less dense portion of space lost less energy upon leaving it than other photons, thus appearing slightly hotter than average. Therefore, if the seeds of present-day galaxies existed at the time that the CMB was emitted, we should see some slight variations in the CMB temperature as we look in different directions in the sky.

Scientists working with the data from the COBE satellite did indeed detect very subtle temperature differences—about 1 part in 100,000—in the CMB. The regions of lower-than-average temperature come in a variety of sizes, but even the smallest of the colder areas detected by COBE is far too large to be the precursor of an individual galaxy, or even a supercluster of galaxies. This is because the COBE instrument had “blurry vision” (poor resolution) and could only measure large patches of the sky. We needed instruments with “sharper vision.”

The most detailed measurements of the CMB have been obtained by two satellites launched more recently than COBE. The results from the first of these satellites, the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) spacecraft, were published in 2003. In 2015, measurements from the Planck satellite extended the WMAP measurements to even-higher spatial resolution and lower noise (Figure).

​CMB Observations.

/>Figure 4. This comparison shows how much detail can be seen in the observations of three satellites used to measure the CMB. The CMB is a snapshot of the oldest light in our universe, imprinted on the sky when the universe was just about 380,000 years old. The first spacecraft, launched in 1989, is NASA’s Cosmic Background Explorer, or COBE. WMAP was launched in 2001, and Planck was launched in 2009. The three panels show 10-square-degree patches of all-sky maps. This cosmic background radiation image (bottom) is an all-sky map of the CMB as observed by the Planck mission. The colors in the map represent different temperatures: red for warmer and blue for cooler. These tiny temperature fluctuations correspond to regions of slightly different densities, representing the seeds of all future structures: the stars, galaxies, and galaxy clusters of today. (credit top: modification of work by NASA/JPL-Caltech/ESA credit bottom: modification of work by ESA and the Planck Collaboration)​

​Theoretical calculations show that the sizes of the hot and cold spots in the CMB depend on the geometry of the universe and hence on its total density. (It’s not at all obvious that it should do so, and it takes some pretty fancy calculations—way beyond the level of our text—to make the connection, but having such a dependence is very useful.) The total density we are discussing here includes both the amount of mass in the universe and the mass equivalent of the dark energy. That is, we must add together mass and energy: ordinary matter, dark matter, and the dark energy that is speeding up the expansion.

To see why this works, remember (from the chapter on Black Holes and Curved Spacetime) that with his , Einstein showed that matter can curve space and that the amount of curvature depends on the amount of matter present. Therefore, the total amount of matter in the universe (including dark matter and the equivalent matter contribution by dark energy), determines the overall geometry of space. Just like the geometry of space around a black hole has a curvature to it, so the entire universe may have a curvature. Let’s take a look at the possibilities (Figure).

If the density of matter is higher than the critical density, the universe will eventually collapse. In such a closed universe, two initially parallel rays of light will eventually meet. This kind of geometry is referred to as spherical geometry. If the density of matter is less than critical, the universe will expand forever. Two initially parallel rays of light will diverge, and this is referred to as hyperbolic geometry. In a critical-density universe, two parallel light rays never meet, and the expansion comes to a halt only at some time infinitely far in the future. We refer to this as a flat universe, and the kind of Euclidean geometry you learned in high school applies in this type of universe.

Picturing Space Curvature for the Entire Universe.

Figure 5. The density of matter and energy determines the overall geometry of space. If the density of the universe is greater than the critical density, then the universe will ultimately collapse and space is said to beclosedlike the surface of a sphere. If the density exactly equals the critical density, then space isflatlike a sheet of paper the universe will expand forever, with the rate of expansion coming to a halt infinitely far in the future. If the density is less than critical, then the expansion will continue forever and space is said to beApertoand negatively curved like the surface of a saddle (where more space than you expect opens up as you move farther away). Note that the red lines in each diagram show what happens in each kind of space—they are initially parallel but follow different paths depending on the curvature of space. Remember that these drawings are trying to show how space for the entire universe is “warped”—this can’t be seen locally in the small amount of space that we humans occupy.​

​If the density of the universe is equal to the critical density, then the hot and cold spots in the CMB should typically be about a degree in size. If the density is greater than critical, then the typical sizes will be larger than one degree. If the universe has a density less than critical, then the structures will appear smaller. InFigure, you can see the differences easily. WMAP and Planck observations of the CMB confirmed earlier experiments that we do indeed live in a flat, critical-density universe.

Comparison of CMB Observations with Possible Models of the Universe.

Figure 6. Cosmological simulations predict that if our universe has critical density, then the CMB images will be dominated by hot and cold spots of around one degree in size (bottom center). If, on the other hand, the density is higher than critical (and the universe will ultimately collapse), then the images’ hot and cold spots will appear larger than one degree (bottom left). If the density of the universe is less than critical (and the expansion will continue forever), then the structures will appear smaller (bottom right). As the measurements show, the universe is at critical density. The measurements shown were made by a balloon-borne instrument called BOOMERanG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), which was flown in Antarctica. Subsequent satellite observations by WMAP and Planck confirm the BOOMERanG result. (credit: modification of work by NASA)​

​Key numbers from an analysis of the Planck data give us the best values currently available for some of the basic properties of the universe:

  • ​Age of universe: 13.799 ± 0.038 billion years (Note: That means we know the age of the universe to within 38 million years. Amazing!)
  • Hubble constant: 67.31 ± 0.96 kilometers/second/million parsecs
  • Fraction of universe’s content that is “dark energy”: 68.5% ± 1.3%
  • Fraction of the universe’s content that is matter: 31.5% ± 1.3%

​Note that this value for the costante di Hubble is slightly smaller than the value of 70 kilometers/second/million parsecs that we have adopted in this book. In fact, the value derived from measurements of redshifts is 73 kilometers/second/million parsecs. So precise is modern cosmology these days that scientists are working hard to resolve this discrepancy. The fact that the difference between these two independent measurements is so small is actually a remarkable achievement. Only a few decades ago, astronomers were arguing about whether the Hubble constant was around 50 kilometers/second/million parsecs or 100 kilometers/second/million parsecs.

Analysis of Planck data also shows that ordinary matter (mainly protons and neutrons) makes up 4.9% of the total density. Dark matter plus normal matter add up to 31.5% of the total density. Dark energy contributes the remaining 68.5%. The age of the universe at decoupling—that is, when the CMB was emitted—was 380,000 years.

Perhaps the most surprising result from the high-precision measurements by WMAP and the even higher-precision measurements from Planck is that there were no surprises. The model of cosmology with ordinary matter at about 5%, dark matter at about 25%, and dark energy about 70% has survived since the late 1990s when cosmologists were forced in that direction by the supernovae data. In other words, the very strange universe that we have been describing, with only about 5% of its contents being made up of the kinds of matter we are familiar with here on Earth, really seems to be the universe we live in.

After the CMB was emitted, the universe continued to expand and cool off. By 400 to 500 million years after the Big Bang, the very first stars and galaxies had already formed. Deep in the interiors of stars, matter was reheated, nuclear reactions were ignited, and the more gradual synthesis of the heavier elements that we have discussed throughout this book began.

We conclude this quick tour of our model of the early universe with a reminder. You must not think of the Big Bang as a localizedexplosion in space, like an exploding superstar. There were no boundaries and there was no single site where the explosion happened. It was an explosion of space (and time and matter and energy) that happened everywhere in the universe. All matter and energy that exist today, including the particles of which you are made, came from the Big Bang. We were, and still are, in the midst of a Big Bang it is all around us.

Key Concepts and Summary

When the universe became cool enough to form neutral hydrogen atoms, the universe became transparent to radiation. Scientists have detected the cosmic microwave background (CMB) radiation from this time during the hot, early universe. Measurements with the COBE satellite show that the CMB acts like a blackbody with a temperature of 2.73 K. Tiny fluctuations in the CMB show us the seeds of large-scale structures in the universe. Detailed measurements of these fluctuations show that we live in a critical-density universe and that the critical density is composed of 31% matter, including dark matter, and 69% dark energy. Ordinary matter—the kinds of elementary particles we find on Earth—make up only about 5% of the critical density. CMB measurements also indicate that the universe is 13.8 billion years old.


Future of the CMB:

According to various cosmological theories, the Universe may at some point cease expanding and begin reversing, culminating in a collapse followed by another Big Bang – aka. the Big Crunch theory. In another scenario, known as the Big Rip, the expansion of the Universe will eventually lead to all matter and spacetime itself being torn apart.

If neither of these scenarios are correct, and the Universe continued to expand at an accelerating rate, the CMB will continue redshifting to the point where it is no longer detectable. At this point, it will be overtaken by the first starlight created in the Universe, and then by background radiation fields produced by processes that are assumed will take place in the future of the Universe.

For more information, check out NASA’s WMAP mission page and the ESA’s Planck mission page.

Astronomy Cast also has information on the subject. Listen here: Episode 5 – The Big Bang and Cosmic Microwave Background

This article was originally published at Universe Today

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Commenti:

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