E' noto che, per effetto del Big Bang, la violenta
esplosione iniziale da cui si è originato il nostro universo, l’intero spazio cosmico è attualmente pervaso da una
radiazione detta appunto Radiazione Cosmica di Fondo.
Nei primissimi istanti la materia si trovava a diversi
miliardi di gradi ed emetteva radiazione molto energetica, ovvero a frequenze
molto alte, nell’intervallo dei raggi gamma.
Si dice allora che la radiazione era anch’essa
ad alta temperatura.
Con l’espansione dell’universo, tuttavia, il "gas" di
fotoni si è comportato qualitativamente alla stregua di un gas ordinario
composto da molecole; un tale gas tende a scaldarsi se compresso e a
raffreddarsi se si espande. A testimonianza del primo effetto, una
pompa tende a scaldarsi quando comprimiamo l’aria
per gonfiare le ruote di una bicicletta; l’effetto
refrigerante dell’espansione di un gas è
invece sfruttato nella costruzione dei frigoriferi.
I fotoni della radiazione di fondo, dunque, hanno perso
energia diminuendo la loro frequenza di pari passo con l’espansione
dell’universo. Si dice allora che la
radiazione si è "raffreddata" passando agli attuali 2,7 K,
intendendo che, per emettere fotoni di così bassa energia, un corpo dovrebbe
avere appunto una tale temperatura.
La radiazione cosmica
rappresenta non solo una testimonianza "fossile" dell’avvenuta esplosione iniziale, ma un utile
strumento di indagine utilizzato dai cosmologi in diverse occasioni.
Essa è altamente omogenea ed isotropa, ovvero risulta avere la stessa
intensità indipendentemente dalla regione della sfera celeste verso cui si
puntano gli strumenti di misura. Tuttavia, come abbiamo già descritto
in queste stesse pagine, sono presenti minime fluttuazioni spaziali nella
temperatura della radiazione che forniscano informazioni sull’inizio
della formazione delle prime strutture galattiche avvenuta dopo circa 300.000
anni dal Big Bang.
In questo articolo mostriamo come, grazie all’effetto
Sunyaev-Zel’dovich, la radiazione di fondo
permette di risalire alle dimensioni di ammassi di galassie distanti ed alla
massa del gas intergalattico in esse contenuta. A livello cosmologico, inoltre,
questo effetto permette di ricavare il tasso di espansione dell’universo e la sua età.
L’universo è riempito da agglomerati (ammassi)
di galassie delle dimensioni di milioni di anni luce e contenenti centinaia o
anche migliaia di galassie. Le osservazioni ai raggi X mostrano intense
luminosità al centro degli ammassi dovute a gas ionizzato ad elevata
temperatura (circa 100 milioni di gradi). La massa di questo gas è
considerevole: pari a 5-6 volte quella di tutte le galassie dell’ammasso. Esso rappresenta in gran
parte gas iniziale che, pur aggregandosi all’interno
dell’ammasso, è rimasto in forma diffusa,
senza raggiungere le densità critiche che lo avrebbero portato a
"frammentarsi" in ulteriori galassie. Le elevate temperature
sono dovute alla gravità dell’ammasso che
comprime il gas al centro scaldandolo proprio per compressione grazie al
meccanismo accennato più sopra.
Oltre ad emettere raggi X,
gli elettroni del gas interagiscono anche con i fotoni della pervasiva
radiazione di fondo tramite il cosiddetto effetto Compton inverso.
Consideriamo un fotone di alta frequenza (e dunque di alta energia) che
colpisce un elettrone fermo o comunque di bassa velocità (e dunque di bassa
energia). Dopo l’urto, il fotone avrà una
frequenza (e dunque un’energia) minore, perché
parte della sua energia viene comunicata all’elettrone
che acquista una maggiore velocità: questo processo viene detto effetto
Compton. L’effetto inverso si ha
quando il fotone interagisce con un elettrone ad energia maggiore della sua.
In questo caso lo scambio di energia avviene al contrario, e l’elettrone rallenta mentre il fotone aumenta la sua
frequenza.
A causa di questi processi, alcuni fotoni della radiazione di fondo aumentano
la loro energia mentre altri la diminuiscono. L’effetto
complessivo è noto col nome di effetto Sunyaev-Zel’dovich,
e produce fluttuazioni  I molto piccole (circa una parte su
10,000) nella intensità della radiazione di fondo misurata in direzione dell’ammasso.
Sia l’emissione
X degli ammassi che la fluttuazioni nell’emissione
radio della radiazione di fondo in direzione degli ammassi stessi dipendono
dal raggio dell’ammasso (assunto sferico) e
dalla densità del gas in esso contenuto.
Grazie all’effetto Sunyaev-Zel’dovic, queste due quantità sono
state ricavate dalle osservazioni congiunte negli intervalli di lunghezza d’onda X e radio per una quindicina di ammassi.
E' inoltre possibile misurare l’angolo sotteso
dall’alone X sulla sfera celeste (fig. 1).
Questa misura, associata alla precedente misura del diametro, permette di
ricavare anche la distanza dell’ammasso.
Se anche la velocità di recessione dell’ammasso
è nota tramite l’analisi dello spostamento
verso il rosso della radiazione emessa, si può ricavare un indicazione sull’età dell’universo.
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Figura 1 - Mappa
del cielo attorno all'ammasso di galassie CL0016+16.
Le curve
chiuse rappresentano i contorni radio a 28.5 GHz. Essi indicano livelli
costanti del decremento di intensità della radiazione di fondo a causa del
deficit nel numero di fotoni a questa frequenza dovuta all'effetto Sunyaev-Zel'dovich. Le aree colorate
rappresentano l'emissione ai raggi X del gas intergalattico misurata dal
satellite ROSAT: i (falsi) colori rappresentano zone di diversa
intensità. Il "buco" radio è centrato sul punto dove è massima
l'emissione X, proprio come predetto dal suddetto effetto.
Le
singole galassie, osservabili nell'ottico, non sono ovviamente visibili.
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