Premio Nobel 2006 per la Fisica: le motivazioni

Bene, come promesso un po' di tempo fa cercherò di spiegare perché è stato assegnato il Nobel per la Fisica a John Mather e George Smoot.
Le motivazioni ufficiali dicono: For their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation.

Detto in parole povere significa che hanno scoperto (o meglio, verificato) che la radiazione di fondo, detta anche radiazione fossile, residuo del Big Bang, possiede una distribuzione di densità di energia simile a quella di un corpo nero, e hanno inoltre verificato che la sua intensità presenta delle piccolissime variazioni a seconda della direzione in cui la si misura (anisotropia).

Ma che significa? perché è importante?
Procedo con ordine.

Il corpo nero (non inganni il nome, non è necessariamente nero!) è un oggetto ideale, come se ne usano tanti in fisica, che ha la proprietà di assorbire totalmente la radiazione elettromagnetica che lo colpisce, riemettendola secondo una distribuzione che dipende esclusivamente dalla temperatura del corpo stesso. Per fare un esempio, le stelle costituiscono con buona approssimazione un corpo nero.

Per radiazione di fondo si intende invece quell'insieme di onde elettromagnetiche provenienti dal cosmo la cui sorgente non è identificabile con nessun particolare oggetto celeste. Esistono infatti numerose sorgenti di raggi X, gamma (che sono onde e.m. di diversa frequenza), di neutrini ecc., ma tutte sono riconducibili a particolari sistemi, come stelle di neutroni, galassie, quasar, buchi neri e così via. La radiazione di fondo, invece, permea tutto lo spazio, e la si interpreta come il residuo del Big Bang, l'evento che avrebbe dato vita all'Universo miliardi di anni fa.

Le misurazioni hanno rivelato che lo spettro della densità di energia (ovvero l'insieme dei valori assunti da essa per ogni intervallo di lunghezza d'onda esaminato) di questa radiazione si accorda in maniera ottima allo spettro di un corpo nero. La misura che ha fruttato il premio Nobel a Mather e Smoot ha infatti rivelato che c'è uno straordinario accordo tra i dati sperimentali e la curva teorica, per cui la radiazione di fondo è probabilmente la "migliore" realizzazione reale di un corpo nero, e rappresenta perciò una conferma del modello del Big Bang. In più, questo ha dato la possibilità di calcolare il valore della temperatura che permetteva il migliore accordo, per cui si è ottenuta una misura estremamente precisa della T della radiazione cosmica, che risulta essere di (2.725 +- 0.002) K. Si tratta di uno dei parametri cosmologici meglio determinati, allo stato attuale.

Per quanto riguarda l'anisotropia della radiazione di fondo, nell'ambito della teoria del Big Bang, considerando solo la forza gravitazionale, l'Universo si sarebbe dovuto espandere in maniera omogenea in tutte le direzioni (ovvero isotropa), e non si spiegherebbe quindi la formazione di macrostrutture come le stelle, le galassie ecc. Per spiegarle si deve tener conto delle fluttuazioni quantistiche che, nei primissimi istanti dopo l'esplosione, avrebbero provocato differenze nella densità di materia ed energia. La radiazione di fondo ha "memoria" di quelle differenze, e la misura dell'anisotropia fornisce quindi un'istantanea di quei primi momenti. Tale misura ha rappresentato una vera sfida, poichè si sono misurate variazioni di temperatura dell'ordine del decimillesimo (come si vede nella terza delle immagini riportate sotto), e fornisce una conferma del modello inflazionario.

Per concludere, i dati pubblicati appartengono a un campo (quello della cosmologia) che per sua natura ha grosse difficoltà nel reperire elementi decisivi che permettano di capire quale sia la teoria che spiega più correttamente l'origine dell'universo. Dunque il loro contributo è molto importante, perché fornisce indicazioni utili e limiti più ristretti alle ipotesi fatte fino a ora, essendo in accordo con le previsioni della teoria inflazionaria.