Radiazione fossile e Big Bang

Vediamo innanzitutto come nasce quella radiazione.

Nelle prime centinaia di migliaia di anni dopo il big bang, che rappresenta la nascita ad altissime temperature e densità dell’universo, la materia era in equilibrio con la radiazione. Questo vuol dire che l’universo era un gas di particelle materiali (p. es. elettroni, protoni, nuclei di litio e berillio) e di fotoni che interagivano fra loro come biglie in una scatola.

Circa 300.000 anni dopo il Big Bang, però, la temperatura dell’universo era scesa abbastanza (a poche migliaia di gradi) perchè gli elettroni si legassero agli atomi sottraendo in questo modo la materia all’interazione con la radiazione. In pratica, quasi all’improvviso, l’universo diventa trasparente! Questa fase si chiama ricombinazione e la luce che si libera dalla materia è quella che oggi forma la radiazione fossile.

Da quel momento i fotoni “primordiali”, che hanno una temperatura tipica di qualche migliaio di gradi, sono liberi di muoversi indefinitamente per l’universo… giungendo, dopo una corsa che dura dall’epoca, fino a noi.

Il fatto per cui tali fotoni non sono più a migliaia di gradi ma a pochi gradi sopra lo zero assoluto (3.27 Kelvin, per l’esattezza), dipende dal famoso “redshift”, o spostamento verso il rosso cosmologico.

Puoi vederla così: se la luce perde energia man mano che osserviamo galassie sempre più lontane, tanto che le righe spettrali si spostano tutte verso lunghezze d’onda maggiori, i fotoni primordiali, provenendo da ben più lontani, sono enormemente “depauperati” di energia, e, partiti come luce visibile, ci giungono sotto forma di poco energetiche microonde.

Alternativamente puoi anche vederla così: quei fotoni sono stati per tutto questo tempo in un universo in espansione (la durata del loro viaggio è, evidentemente, uguale all’età dell’universo meno quei circa 300.000 mila anni iniziali) e quindi si sono espansi a loro volta della stessa quantità. L’universo all’epoca era 100.000 volte più piccolo di adesso, e altrettanto lo era la lunghezza d’onda di quei fotoni (infatti le microonde hanno una lunghezza d’onda attorno al centimetro, mentre la radiazione che si sprigionò durante la ricombinazione era luce visibile, con lunghezza d’onda attorno al centomillesimo di centimetro).

Tale radiazione è in viaggio da 13,7 miliardi di anni e rappresenta quindi l’immagine più antica che riusciamo a vedere dell’Universo.

In questo schema (non in scala) vedi l’evoluzione dell’universo dal Big Bang (il punto a sinistra) fino ai giorni nostri (il satellite Wmap a destra), passando per il momento in cui fu rilasciata la radiazione di fondo cosmico, 380 mila anni dopo il Big Bang (la superficie screziata gialla e turchese sulla sinistra):