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Jun 27, 2023

La prima luce nell’universo può aiutare a svelare la storia cosmica

Lo sfondo cosmico a microonde porta con sé una registrazione di eventi durante i 13,8 miliardi di anni di storia dell'universo. Proprio come Charles Darwin una volta usò i reperti fossili per raccontare la storia del

Lo sfondo cosmico a microonde porta con sé una registrazione di eventi durante i 13,8 miliardi di anni di storia dell'universo.

Proprio come Charles Darwin usò i reperti fossili per raccontare la storia dell’evoluzione della vita sulla Terra, gli astronomi stanno utilizzando la prima luce mai illuminata nell’universo per comprendere gli eventi che hanno plasmato il cosmo.

Questa prima luce è chiamata "fondo cosmico a microonde (CMB)", la radiazione rimanente che si diffonde quasi uniformemente nell'universo. La CMB porta con sé le tracce dei processi fisici dell'universo primordiale e possiede caratteristiche uniche che possono essere utilizzate per determinare la composizione dell'universo.

Proprio come si è evoluto lo studio dell’evoluzione biologica dai tempi di Darwin, anche il modo in cui i cosmologi utilizzano questo fossile cosmico è cambiato, e le future missioni sono destinate ad aumentare l’attenzione sulla CMB e su cosa può insegnarci su come funziona l’universo. evoluto.

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Lunedì 2 luglio, al National Astronomy Meeting 2023 (NAM 2023) tenutosi presso l'Università di Cardiff nel Regno Unito, l'astrofisica Erminia Calabrese ha offerto una panoramica sia di dove si trova attualmente la scienza della CMB sia di dove è diretta nel prossimo futuro.

"Il motivo per cui questa luce è stata davvero la forza trainante della cosmologia moderna è che è stata lì durante tutta la storia cosmica", ha detto Calabrese. "Era lì fin dall'inizio, ha attraversato tutto ciò che l'universo ha vissuto. Ha viaggiato attraverso la formazione delle prime stelle, la formazione e l'evoluzione della struttura su larga scala dell'universo.

"Mentre intraprendeva questo viaggio verso di noi, ha sostanzialmente catturato le impronte di tutta questa fisica e le porta con sé oggi."

Se potessi viaggiare indietro di circa 380.000 anni nella storia cosmica fino al punto in cui l'universo era pieno di una densa zuppa calda di elettroni e protoni, la prima cosa che noteresti è quanto sia oscuro il cosmo.

Il motivo per cui questa prima epoca nei 13,8 miliardi di anni di storia dell’universo è letteralmente un’era oscura cosmica è perché l’abbondanza di elettroni liberi significava che i fotoni, particelle di luce, erano dispersi all’infinito, impedendo loro di viaggiare. A quel tempo, l’universo era essenzialmente opaco alla luce.

"Quindi quella che stiamo guardando è la primissima luce mai emessa nell'universo, composta da fotoni emessi durante il Big Bang", ha spiegato Calabrese. "I fotoni erano intrappolati nelle interazioni con tutto il resto, il che significa che qualsiasi fenomeno particellare che stava accadendo in questa fase molto calda e densa dell'universo interagiva con questi fotoni."

Ciò significa che, essendo intrappolati, i fotoni stavano creando una registrazione della fisica dell'universo primordiale, ma non potevano rimanere intrappolati e in equilibrio con la materia per sempre.

Alla fine, subendo una rapida inflazione cosmica a seguito del Big Bang, l’universo si espanse e si raffreddò abbastanza da consentire agli elettroni di legarsi ai protoni e formare i primi atomi neutri. Questo è noto come periodo di ricombinazione, anche se elettroni e protoni non erano stati precedentemente collegati.

Inizialmente, la luce che comprende la CMB era incredibilmente calda ed energetica, ma man mano che l’universo continuava ad espandersi si è raffreddata e ha perso energia, il che ha visto la frequenza di questa radiazione ridotta alla regione delle microonde dello spettro elettromagnetico.

Calabrese spiega che attualmente la CMB assume la forma di un campo di radiazione con una temperatura di 2,7 Kelvin (-455 gradi Fahrenheit o -270,4 gradi Celsius).

Poiché la ricombinazione è avvenuta in tutto l’universo nello stesso momento, la radiazione CMB ci arriva uniformemente da tutte le direzioni. Ciò significa che questo fossile cosmico ha lo stesso aspetto in tutte le aree del cielo, che gli scienziati descrivono come isotropico.

Questa identità, anche ai lati opposti dell’universo in aree attualmente non in contatto, è una delle prove chiave del fatto che l’universo una volta esisteva in uno stato caldo e denso e poi subì un periodo di rapida inflazione, che ora chiamiamo Big Bang. Ma è nelle aree in cui emergono piccole differenze che gli scienziati trovano un’utile documentazione sui fossili cosmici.