Hanno scelto una storica città italiana, Ferrara, per convocare a convegno tutta la comunità degli scienziati coinvolti o in qualche misura interessati ai risultati della missione del telescopio spaziale PLANCK dell’ESA (Agenzia Spaziale Europea), a un anno dalla sua messa a risposo dopo quattro anni di osservazioni ininterrotte del cielo a microonde. PLANCK ha scandagliato l’intero cielo, passandolo più volte con i suoi due strumenti: quello a bassa frequenza (LFI), a guida italiana, e quello ad alta frequenza (HFI) a guida francese; e ha potuto raccogliere una mole di dati con una precisione mai raggiunta prima, dando la possibilità ai ricercatori di studiare in dettaglio la radiazione cosmica di fondo (CMB, Cosmic Microwave Background) e di utilizzare numerose informazioni per ulteriori indagine cosmologiche e astrofisiche. Alcuni risultati eclatanti, come quelli relativi all’età dell’universo e alla sua infanzia, erano già stati comunicati; ieri, in apertura del convegno “The Microwave Sky in Temperature and Polarization” – che proseguirà fino a venerdì – ne sono stati rivelati altri, come anticipazione di quanto verrà pubblicato nelle prossime settimane. Ne parliamo con Marco Bersanelli, uno dei massimi responsabili della missione, che ha svolto la relazione introduttiva al convegno.
Le novità che avete scoperto in questi mesi di analisi dei dati, come è suggerito anche dal titolo del convegno, riguardano principalmente le anisotropie della radiazione del fondo cosmico a microonde in polarizzazione; cosa significa?
I risultati che avevamo comunicato lo scorso anno erano relativi alle temperatura, cioè riguardavano la distribuzione dell’intensità della radiazione primordiale e le differenze che osserviamo a seconda della direzione nella quale guardiamo: l’esito più eloquente sono le mappe dell’universo bambino che abbiamo potuto ricostruire, con le anisotropie cioè le piccole fluttuazioni di intensità che agitavano l’oceano cosmico neonato. Adesso abbiamo fatto un passo avanti e, oltre ad avere misure migliori sulla temperatura, abbiamo potuto realizzare le mappe del cielo in polarizzazione.
Il concetto di polarizzazione non è dei più immediati: può spiegarci cosa vuol dire luce cosmica polarizzata?
Come tutti sappiamo, la luce è un’onda che si propaga vibrando su un piano; possiamo pensare, per semplicità, a una corda che vibra e nel farlo determina un piano: quello è il piano di polarizzazione. Per la luce primordiale che ci giunge dal fondo cosmico, oltre a misurare l’intensità, noi possiamo misurare qual è il piano prevalente di vibrazione; questa è un’informazione preziosa ma è una proprietà molto fine, molto difficile da rilevare perché è dieci volte più debole di quella debolissima increspatura già rivelata dalle mappe precedenti. Quindi abbiamo fatto un passo che ci consente di andare dieci volte più in profondità, ottenendo nuove e importanti notizie sulla storia dell’universo.
Che tipo di notizie?
Anzitutto quelle che ci permettono di verificare la coerenza di questi dati con quelli ottenuti con la temperatura. Quelli della polarizzazione ci offrono un angolo di visuale diverso sulle stesse proprietà misurate l’anno scorso; è come misurare la stessa quantità con due metodi diversi: se le due misure concordano, si può essere più confidenti sulla loro attendibilità. Nel nostro caso la coerenza interna tra i due metodi è stata spettacolare e ci ha consentito di ricavare valori ancor più precisi, del 20-30% in più, dei parametri fondamentali che governano l’evoluzione dell’universo, la sua composizione, la sua geometria.
Queste le conferme; e le novità?
Tra le tante che si potrebbero indicare, una molto interessante riguarda uno dei temi caldi della fisica attuale: la materia oscura. La precisione con la quale PLANCK ha ottenuto i dati di polarizzazione consente di investigare la natura della dark matter in modo indipendente da quanto fatto finora. Anche qui abbiamo delle conferme e delle cose nuove. Confermiamo che circa il 26% dell’energia dell’universo è costituito da energia oscura. Possiamo però anche verificare se questa decade in particelle rintracciabili nei raggi cosmici, come si era ventilato sulla base di missioni sperimentali spaziali tuttora in corso come PAMELA, AMS, FERMI i cui risultati sono stati interpretati come annichilazione di materia oscura. E, qui sta la novità, dobbiamo smentire tale interpretazione: è una possibilità che si rivela non fondata, perché se lo fosse noi avremmo una traccia nei dati di polarizzazione che invece siamo in grado di escludere. Quindi, purtroppo, dobbiamo dire che questa materia rimane ancor più oscura e misteriosa di prima.
E gli altri risultati?
Un’altra acquisizione, molto attesa da tutti i fisici, riguarda i neutrini, questi ingredienti sfuggenti e misteriosi della ricetta cosmica del nostro universo. Bisogna considerare che la statistica con la quale PLANCK rileva sia l’intensità che la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo dipende dalle diverse forme di energia e di particelle “relativistiche”, come i neutrini, presenti nell’universo primordiale. Allora è come se noi potessimo “pesare” i neutrini; e, come è noto, la conoscenza della massa dei neutrini è uno dei fattori più critici e rilevanti per la storia dell’universo. I nostri dati consentono di fissare un limite superiore alla massa dei neutrini, alla somma delle masse di tutti i neutrini messi insieme che risulta inferire a 0,7 elettronvolt. È un valore che migliora del 30% il limite che avevamo indicato nel 2013; e il suo livello di precisione è tale che consentirà un efficace confronto con le misure indipendenti che verranno condotte nei prossimi anni tramite esperimenti da Terra.
Potete quindi confermare che la componente neutrinica dell’universo è molto piccola?
Sì, i limiti della massa complessiva dei neutrini si confermano essere molto stretti soprattutto se andiamo a combinare i nostri risultati con quelli di altri esperimenti che misurano la distribuzione su larga scala delle galassie, distribuzione che è anch’essa sensibile alla presenza di neutrini. Forse però il risultato più interessante legato alla massa dei neutrini è che ci offre una nuova pista per approfondire la natura di queste particelle.
Si dibatte molto su quanti e quali siano i tipi di neutrini …
Secondo la teoria più affermata, il modello standard, le “razze” di questi strani “animali cosmici” sono tre (neutrino elettronico, muonico e tauonico, ndr): le misure di polarizzazione di PLANCK anche qui confermano in modo molto deciso questa affermazione.
Un altro tema oggetto di dibattito, anche recente, riguarda la polvere interstellare e il suo eventuale impatto da non sottovalutare nei tentativi di cattura delle fantomatiche onde gravitazionali. Cosa hanno da dire al riguardo i vostri dati?
PLANCK ha misurato l’intero cielo in polarizzazione a una frequenza molto sensibile alla presenza della polvere interstellare. In questi giorni presentiamo per la prima volta una mappa con i dettagli di come è distribuita nel cielo la polvere interstellare polarizzata: tale dato è fondamentale per interpretare misure presenti e future di esperimenti da Terra che vanno a caccia delle onde gravitazionali primordiali.
Oltre alle specifiche scoperte che state annunciando in questi giorni, colpisce l’ampiezza delle ricadute e delle conseguenze di queste misure un po’ su tutta la cosmologia e l’astrofisica. Siamo a un passaggio così importante?
Effettivamente è come si se fosse aperta una nuova finestra sull’universo, che ci fa vedere la luce cosmica in modo nuovo. Non che finora non si fosse mai osservato in questo modo, con la polarizzazione; il fatto è che se finora erano spiragli, adesso si è spalancata una finestra e la stanza è stata investita da una quantità enorme di informazioni e quindi di ricadute, sia di natura cosmologica che astrofisica. Oltre ai punti citati prima, posso aggiungere che le nuove misure si rivelano utilissime per conoscere i meccanismi di formazione delle prime stelle nell’universo, una volta che questo si era raffreddato grazie all’espansione; quindi si dischiudono interessanti prospettive per lo studio della fase “giovanile” dell’universo. La polarizzazione ci ha anche fatto vedere meglio le proprietà del mezzo interstellare, cioè il luogo dove nascono le stelle nell’universo attuale per la cui formazione la polvere è un catalizzatore fondamentale: quello della formazione stellare è un ambito dell’astrofisica ancora pieno di domande aperte.
(Mario Gargantini)
