L'Universo è più vecchio del previsto: nuovo ritratto da ESA Planck

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Credit: ESA and the Planck Collaboration

Come gli archeologi setacciano i resti delle antiche civiltà del passato, così gli scienziati della missione ESA Planck hanno realizzato la mappa della più antica luce dell'Universo: i primi risultati indicano che l'Universo è in realtà un po' più vecchio del previsto e si espande più lentamente di quanto finora ipotizzato.

In base alle osservazioni di Planck, l'Universo ha 13,8 miliardi di anni, 100 milioni di anni in più rispetto alle stime precedenti.
I dati mostrano inoltre che c'è meno energia oscura, la forza ipotetica che sta causando l'espansione dell'Universo, e più materia, sia oscura che standard, di quanto ipotizzato.

"Stiamo misurando la più antica luce dell'Universo, la radiazione cosmica di fondo", ha spiegato Paul Hertz, direttore di astrofisica alla NASA. "E' la mappa più sensibile e dettagliato mai ottenuta. E' come cambiare una televisione standard con una ad alta definizione. I dettagli sono diventati cristallini".

La radiazione cosmica di fondo (CMB, dall'inglese cosmic microwave background) è il bagliore residuo, che permea l'Universo, prodotto dal Big Bang. Dovrebbe essere liscio ed uniforme ma la mappa è in grado di fornire la percezione di piccole variazioni di temperatura, impresse nel cielo quando l'Universo aveva 380 mila anni. Queste caratteristiche mettono in parte in discussione le basi della nostra conoscenza attuale.
Gli scienziati ritengono che la mappa rappresenti un'impronta fossile dello stato dell'Universo a 10 nano-nano-nano-nano secondi dopo il Big Bang.

L'immagine si basa sui primi 15,5 mesi di dati rilevati da Planck e mostra variazioni di temperatura molto piccole nella radiazione cosmica di fondo, la luce antica dell'Universo che ha viaggiato per miliardi di anni fino a noi.
I colori vanno dal rosso al blu per indicare temperature più o meno elevate ma stiamo parlando di differenza veramente minime: 1/100 milionesimo di grado.
I pattern della luce rappresentano i semi di galassie e ammassi di galassie che vediamo oggi.

Il comunicato ESA riporta quanto segue.

A quel tempo, l'Universo giovane era pieno di una zuppa calda e densa di protoni, elettroni e fotoni fra loro interagenti, a circa 2.700 gradi Celsius. Quando i protoni e gli elettroni si sono uniti a formare atomi di idrogeno, la luce è stata rilasciata. Dal momento in cui l'Universo si è espanso, tale luce oggi si è spostata sulla lunghezza d'onda delle microonde, equivalente ad una temperatura di soli 2.7 gradi sopra lo zero assoluto.

La radiazione cosmica di fondo - CMB - mostra minime fluttuazioni di temperatura che corrispondono alle regioni con densità leggermente diverse agli stadi iniziali, che rappresentano i semi di tutte le strutture future: le stelle e le galassie di oggi.

Secondo il modello standard della cosmologia, le fluttuazioni si sono generate subito dopo il Big Bang e si sono disposte su larghe scale cosmologiche durante un breve periodo di espansione accelerata conosciuto come inflazione.

Planck è stato progettato per mappare queste fluttuazioni attraverso tutto il cielo con un livello di risoluzione e una sensibilità mai raggiunte prima. Analizzando la natura e la distribuzione dei semi nell'immagine CMB di Planck, siamo in grado di determinare la composizione e l'evoluzione dell’Universo dalla sua nascita ai giorni nostri.

Nel complesso, le informazioni estratte dalla nuova mappa di Planck forniscono una conferma eccellente del modello standard della cosmologia con una precisione senza precedenti, stabilendo un nuovo punto di riferimento nella nostra conoscenza dei contenuti dell'Universo.

Ma proprio perchè la precisione della mappa di Planck è così elevata, ha anche permesso di rivelare alcune peculiarità inspiegabili che potrebbero richiedere una nuova fisica per essere comprese.

"La straordinaria qualità del ritratto del giovane Universo fatto da Planck ci permette di 'sbucciare' i suoi strati fino alle fondamenta, rivelando che il nostro modello del cosmo è lungi dall'essere completo. Queste scoperte sono state rese possibili dalle tecnologie sviluppate dall'industria europea", ha detto Jean-Jacques Dordain, Direttore Generale dell'ESA.

Questi dati hanno permesso agli scienziati di approfondire il modello standard della cosmologia ma allo stesso tempo, ha evidenziato curiose caratteristiche.
Ad esempio, il cielo dovrebbe essere sostanzialmente simile in qualsiasi direzione guardiamo ma i modelli di luce rilevati sono asimmetrici per i due emisferi.
L'entità delle fluttuazioni di temperatura è maggiore a destra, rispetto alla parte sinistra della seguente immagine.

Credit: ESA and the Planck Collaboration 

"Da un lato, abbiamo un modello semplice che si adatta molto bene alle nostre osservazioni ma d'altra parte, vediamo alcune caratteristiche strane che ci costringono a ripensare ad alcuni dei nostri assunti di base", dichiara Jan Tauber della Missione Planck presso l'ESA.

"Il fatto che Planck ha fatto una rivelazione significativa di queste anomalie cancella dubbi riguardanti la loro realtà. Non si può più dire che esse sono artefatti di misurazioni. Esse sono reali e dobbiamo cercare una spiegazione credibile", dice Paolo Natoli dell'Università degli Studi di Ferrara, Italia.

Un modo per spiegare le anomalie è quello di pensare che l'Universo non sia in realtà uguale in tutte le direzioni su una scala più ampia di quanto riusciamo ad osservare. In questo scenario, i raggi di luce dalla CMB possono aver preso un percorso più complicato rispetto a quanto precedentemente ipotizzato, causando i modelli insoliti osservati oggi.

"Il nostro obiettivo finale è quello di costruire un nuovo modello che prevede le anomalie e le collega insieme ma siamo solo all'inizio... Fino ad ora, non sappiamo se questo è possibile e che tipo di nuova fisica è necessaria. E questo è emozionante", ha dichiarato il professor Efstathiou dell'Università di Cambridge, UK.

I risultati tuttavia confermano la teoria dell'inflazione che descrive, una drammatica espansione dell'Universo verificatasi subito dopo la sua nascita, in molto meno tempo di quello necessario per battere un occhio: l'Universo sarebbe esploso di 100 trilioni di trilioni di volte in termini di dimensioni. 

La nuova mappa mostra anche che la materia si sarebbe distribuita in modo casuale fin dai primi istanti e questo permette agli scienziati di escludere molte teorie complesse dell'inflazione.

Credit: ESA/NASA/JPL-Caltech 

"I pattern sopra enormi patch di cielo ci dicono quello che stava accadendo su scala più piccola nei momenti subito dopo la nascita del nostro Universo", ha detto Charles Lawrence, scienziato del progetto Planck per la NASA.

Planck, lanciato nel 2009 dalla Guiana Space Center nella Guyana francese, è una missione dell'Agenzia Spaziale Europea con un significativo contributo NASA.
Il satellite di due tonnellate ha l’obiettivo di misurare, con alta risoluzione angolare ed elevata accuratezza, l’anisotropia del fondo cosmico nelle campo di frequenza delle microonde, con lo scopo di migliorare la nostra conoscenza sulle origini e l'evoluzione dell'Universo.
Raccoglie la luce antica dell'Universo primordiale, la radiazione fossile che riusciamo a rilevare, da oltre 1 milione di chilometri dalla Terra. La luce esisteva anche prima di questo tempo ma era bloccata in un plasma caldo simile ad una fiamma di candela, che poi raffreddandosi, ha permesso alla luce di essere "libera".

Secondo i nuovi dati, il tasso di espansione dell'universo, noto come costante di Hubble, è di 67,15 più o meno 1,2 km / secondo / megaparsec (un megaparsec è pari a circa 3 milioni di anni luce), meno delle stime precedenti derivate dai telescopi spaziali, come Spitzer e Hubble, utilizzando una tecnica diversa.
La nuova stima del contenuto di materia oscura nell'Universo è del 26,8%, rispetto al 24%, mentre l'energia oscura scende al 68,3%, rispetto al 71,4%. La materia standard è ora 4,9%, rispetto al precedente 4,6%.

"Con le mappe più precise e dettagliate del cielo a microonde mai avute, Planck sta dipingendo una nuova immagine dell'Universo che ci spinge ai limiti della comprensione delle attuali teorie cosmologiche", afferma Tauber.

"Abbiamo una lettura quasi perfetta del modello standard della cosmologia ma con caratteristiche interessanti che ci costringono a ripensare ad alcuni dei nostri assunti di base".

"Questo è l'inizio di un nuovo viaggio e ci aspettiamo che la nostra analisi dei dati di Planck aiuterà a far luce su questo enigma."

I risultati completi sulla mappa di Planck, che ancora sta analizzando i cieli, saranno rilasciati nel 2014.