di Branchini

Come riconciliare dunque il Principio Cosmologico con la struttura a grande scala? Il fondo cosmico di microonde ci fornisce un indizio. Esso rappresenta un’istantanea dell’Universo circa 380,000 anni dopo il Big Bang icona_esperto[19] icona_esperto[349], quando materia e radiazione cessano di essere in equilibrio tra loro ed evolvono in modo separato. Questo evento ha reso l’Universo, inizialmente opaco alla radiazione, trasparente ad essa, permettendoci di ottenere un'immagine del nostro Universo a quell’epoca remota&nbsp.

Poichè l’immagine che osserviamo appare molto uniforme la radiazione emessa a questa epoca doveva essere fortemente, anche se non completamente, isotropa. In effetti queste anisotropie, osservate da terra e dallo spazio con strumenti di alta sensibilità, contengono l’informazione che ci interessa. Esse sono ben visibili in Figura 3.

 

Mappa di Planck

 

Figura 3 
Mappa del fondo cosmico di microonde osservata da satellite Planck icona_linkesterno.
Si tratta di una proiezione della sfera celeste. Le regioni in arancione corrispondo a direzioni in cui l’intensità della radiazione cosmica è maggiore della media. Quelle blu a direzioni in cui l’intensità è inferiore.


Questa mappa, ottenuta dal satellite Planck icona_linkesterno rappresenta la proiezione della radiazione misurata su tutta la sfera celeste. I colori sono proporzionali all’intensità della radiazione. Le regioni più rosse (blu) identificano le regioni in cui la radiazione è più intensa (debole). Queste fluttuazioni sono molto piccole: si tratta di variazioni di circa una parte su 100,000 rispetto al segnale medio. Poiché a queste fluttuazioni di intensità corrispondono fluttuazioni analoghe nella densità media di materia dell’Universo, la conclusione è che nel passato l’Universo era molto più omogeneo ed isotropo di quanto non lo sia ora. 



E’ naturale supporre che queste piccole fluttuazioni siano i semi da cui si sono sviluppate successivamente le strutture cosmiche. Ma in che modo questo è accaduto? La risposta a questa domanda è nota da tempo. L’ha fornita Sir James Jeans all’inizio del ‘900 per spiegare il meccanismo di formazione delle stelle. Secondo Jeans le stelle si formano per collasso gravitazionale di nubi gassose simili a quelle che osserviamo nella nostra Galassia. Affinchè la nube collassi è necessario che le forze di pressione del gas siano inferiori all’auto-gravità della nube. Quando ciò accade si genera una instabilità gravitazionale che porta alla formazione della stella. Perché ciò accada, però, è necessario che la nube abbia una dimensione superiore ad una lunghezza caratteristica, detta lunghezza di Jeans. Questo stesso meccanismo di instabilità gravitazionale si applica anche in ambito cosmologico ed è responsabile della crescita delle fluttuazioni che osserviamo nel fondo cosmico di microonde ed alla successiva formazione delle strutture cosmiche che osserviamo nell’Universo attuale.



Qui sorge però un problema: il meccanismo di instabilità gravitazionale non è sufficientemente veloce da permettere alle piccole fluttuazioni nella radiazione di evolvere in strutture. La risoluzione di questo problema richiede l’introduzione di una nuova ed esotica componente: la materia oscura. L’esistenza della materia oscura è stata invocata già a partire dagli anni ’30 per spiegare tutta una serie di osservazioni astrofisiche come le velocità anormalmente alte delle galassie negli ammassi, la curva di rotazione piatta delle galassie a spirale, ecc. Questa materia oscura ha una caratteristica fondamentale: interagisce molto debolmente con la radiazione. Abbiamo visto che, ad un certo punto della storia cosmica, materia ordinaria e radiazione separano i loro destini. O più precisamente si disaccoppiano. Anche la materia oscura, inizialmente in equilibrio, ad un certo punto si disaccoppia. Ma dato che la sua interazione con la radiazione è molto più debole lo fa molto prima. La conseguenza di ciò è che per un certo periodo, prima che materia ordinaria e radiazione si disaccoppino, le fluttuazioni di densità nella materia oscura disaccoppiata possono crescere per instabilità gravitazionale. Quando finalmente anche la materia ordinaria si disaccoppia dalla radiazione, essa si accoppia gravitazionalmente alla materia oscura ed alle sue fluttuazioni, ormai già significativamente cresciute. In questo modo le fluttuazioni in entrambe le componenti sono grado di formare strutture cosmiche con una tempistica accettabile. Detto più esplicitamente: la presenza della materia oscura è necessaria a riconciliare le fluttuazioni del fondo cosmico mostrate in Fig. 3 con le strutture cosmiche in Fig. 2. 



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