In che modo abbiamo misurato la composizione dell’Universo?

Secondo la più accredita teoria cosmologica il nostro Universo è costituito per circa il 5% dalla materia ordinaria o barionica, per circa il 22% di materia oscura e per la restante parte dell’ancor più misteriosa energia oscura. Come siamo riusciti a stabilire questa composizione dell’Universo conosciuto?

Tutto parte dalla radiazione cosmica di fondo, una forma di radiazione elettromagnetica fredda che pervade tutto l’Universo e che “nasce” dal Big Bang. La caratteristica sorprendente che colpisce i ricercatori che primi negli Anni Sessanta dello scorso secolo la individuano e la studiano è la sua isotropia, ovvero la sua uniformità da ogni direzione di provenienza.

Tra la fine del Ventesimo secolo e l’inizio del Ventunesimo grazie a strumentazioni e misurazioni più sofisticate emergono però delle lievissime, quasi infinitesimali anisotropie, microscopiche differenze nella radiazione cosmica di fondo a secondo della direzione di provenienza.

Queste quasi impercettibili anisotropie si riveleranno una fonte ricchissima di informazioni sull’evoluzione dell’Universo e ci forniranno una fotografia della struttura durante la sua “infanzia”. Nella fase iniziale della sua vita l’Universo ha dimensioni molto contenute ed una temperatura altissima. In quel tempo protoni e neutroni sono immersi in una sorta di “bagnomaria” di fotoni molto caldi che collidono con loro impedendo la formazione di atomi stabili.

Man mano che l’Universo si espande questi fotoni si raffreddano e come conseguenza anche le loro lunghezze d’onda si dilatano. Rimanendo invariata la velocità della luce diminuisce la frequenza e conseguentemente l’energia di questa particelle portando ad un sensibile crollo della temperatura.

Si arriva quindi al punto che l’energia di questi primordiali fotoni non è più in grado di rompere il legame stabile tra un protone ed un neutrone. SI formano così i primi atomi stabili di idrogeno. La radiazione termica si separa dalla materia e diventa radiazione cosmica di fondo che andrà progressivamente raffreddandosi di pari passo con l’espansione dell’universo.

L’assenza totale di interazione tra materia e radiazione porta come conseguenza che per il tempo a venire la radiazione cosmica di fondo porti il marchio della struttura del cosmo nel momento del disaccoppiamento tra materia e radiazione. E le minuscole anisotropie saranno anch’esse “registrate” in questa sorta di fotografia spazio-temporale che ci permette di decodificare la struttura dell’universo primordiale.

Mentre la radiazione cosmica di fondo seguendo la vertiginosa espansione dell’universo continuerà a raffreddarsi ulteriormente, la materia, sia quella barionica che quella oscura, andrà incontro ad un’era di grandi turbolenze che precluderà alla nascita di tutto quello che contiene il cosmo, ma di questo ne parleremo in un prossimo post.