COBE, BOOMERanG, WMAP

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Cosmic Microwave Background

di Mauro Maestripieri & Marco Margiocco

COBE Hotspots: The Oldest Structures Known

Above is a microwave image of the entire sky. The plane of our galaxy runs horizontally through the center. This historic all-sky map is based on the first two years of data from NASA's COsmic Background Explorer (COBE) satellite. After computer processing to remove contributions from nearby objects and the effects of the earth's motion, the map shows temperature variations in the early Universe as red "spots". These spots are the oldest, most distant structures known. As our Universe expanded and cooled, conglomerations of mass formed. The COBE images confirm that only a million years after the big-bang - which occurred roughly 15 billion years ago - parts of the universe were visibly hotter than other parts. By studying the size and distribution of the spots found with COBE and future missions, astronomers hope to learn what matter and processes caused the spots to form - and hence determine the composition, density, and future of our Universe.

Fluctuations in the Cosmic Microwave Background

The cosmic microwave background is the afterglow radiation left over from the hot Big Bang. Its temperature is extremely uniform all over the sky. However, tiny temperature variations or fluctuations (at the part per million level) can offer great insight into the origin, evolution, and content of the universe.If you were approaching the Earth on a spaceship, the first thing you would notice is that the planet is spherical. As you drew closer to the Earth, you would see the surface divide into continents and oceans. You would need to study the Earth's surface very carefully to see the mountains, cities, forests and deserts that cover the continents. Similarly, when cosmologists first looked at the microwave sky, thirty years ago, they noticed it was nearly uniform. As observations improved, they detected the dipole anisotropy. Finally, in 1992, the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite made the first detection analogous to seeing "mountains on the surface of the Earth": it detected cosmological fluctuations in the microwave background temperature. Several members of the WMAP science team help lead the COBE program and build the spacecraft. COBE's detection was confirmed by the Far InfraRed Survey (FIRS) balloon-borne experiment.

Fluctuations seen by COBE

Enlarged view

This figure, produced by the COBE science team, shows three false color images of the sky as seen at microwave frequencies. The orientation of the maps are such that the plane of the Milky Way runs horizontally across the center of each image. The top figure shows the temperature of the microwave sky in a scale in which blue is 0 Kelvin (absolute zero) and red is 4 Kelvin. Note that the temperature appears completely uniform on this scale. The actual temperature of the cosmic microwave background is 2.725 Kelvin. The middle image is the same map displayed in a scale such that blue corresponds to 2.721 Kelvin and red is 2.729 Kelvin. The "yin-yang" pattern is the dipole anisotropy that results from the motion of the Sun relative to the rest frame of the cosmic microwave background. The bottom figure shows the microwave sky after the dipole anisotropy has been subtracted from the map. This removal eliminates most of the fluctuations in the map: the ones that remain are thirty times smaller. On this map, the hot regions, shown in red, are 0.0002 Kelvin hotter than the cold regions, shown in blue. There are two main sources for the fluctuations seen in the last figure:

Emission from the Milky Way dominates the equator of the map but is quite small away from the equator.
Fluctuating emission from the edge of the visible universe dominates the regions away from the equator.
There is also residual noise in the maps from the instruments themselves, but this noise is quite small compared to the signals in these maps.

These cosmic microwave temperature fluctuations are believed to trace fluctuations in the density of matter in the early universe, as they were imprinted shortly after the Big Bang. This being the case, they reveal a great deal about the early universe and the origin of galaxies and large scale structure in the universe. Nel 1989 la NASA lanciò il satellite COBE (acronimo di COsmic Background Explorer) e le prime conclusioni, fornite nel 1990, erano consistenti con le previsioni della teoria del Big Bang per quanto riguarda la radiazione cosmica di fondo. COBE trovò una temperatura residua di 2,726 K e nel 1992 individuò per la prima volta le fluttuazioni (anisotropie) della radiazione, con un'incertezza di una parte su 10⁵. John C. Mather e George Smoot ricevettero il premio Nobel nel 2006 per questo lavoro.

The Far Infrared Sky_cobe

Universe Age from Microwave Background

L'Esperimento WMAP

All'inizio del 2003, furono pubblicati i primi risultati del satellite WMAP, ottenendo quelli che erano al tempo i più accurati valori di alcuni parametri cosmologici. Il satellite inoltre escluse numerosi modelli inflazionari, benché i risultati fossero in generale coerenti con la teoria dell'inflazionee confermò che un mare di neutrini cosmici permea l'universo, una prova evidente che le prime stelle impiegarono più di mezzo miliardo di anni per creare una nebbia cosmica. Un altro satellite simile a WMAP, il Planck Surveyor, che è stato lanciato il 14 maggio 2009, fornirà misure ancora più precise sull'anisotropia della radiazione di fondo. Sono previsti inoltre esperimenti a terra e con palloni sonda.

La radiazione di fondo è incredibilmente omogenea e questo presentò un problema nei modelli di espansione convenzionali, perché ciò avrebbe implicato che i fotoni provenienti da direzioni opposte siano venuti da regioni che non sono mai state in contatto le une con le altre. La spiegazione oggi prevalente per questo equilibrio su vasta scala è che l'universo abbia avuto un breve periodo con una espansione esponenziale, conosciuta come inflazione. Questo avrebbe avuto l'effetto di allontanare regioni che erano in equilibrio termodinamico, cosicché tutto l'universo osservabile proviene da una regione con lo stesso equilibrio.

Evoluzione dello studio sulla radiazione cosmica di fondo; la fascia orizzontale al centro delle varie immagini è dovuta all'emissione della nostra galassia, che nelle osservazioni si somma alla radiazione di fondo.

Il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), conosciuto anche come sonda spaziale per l'anisotropia delle microonde (Microwave Anisotropy Probe (MAP) in inglese), e Explorer 80, è un satellite che misura ciò che rimane delle radiazioni dovute al Big Bang, ovvero la radiazione cosmica di fondo. Diretto dal professore della Johns Hopkins University Charles L. Bennett, si tratta di un progetto che prevede la collaborazione tra il Goddard Space Flight Center della NASA e l'Università di Princeton. Il satellite WMAP è stato lanciato il 30 giugno 2001, alle ore 19:46 (GDT) dallo stato della Florida. Il WMAP è l'erede del satellite COBE, ed il secondo satellite di classe media (MIDEX), previsto dal programma Explorer. Tale satellite è stato così chiamato in onore di David Todd Wilkinson (1935-2002).Le rilevazioni del WMAP sono più precise di quelle dei suoi predecessori; secondo il modello Lambda-CDM, l'età dell'universo è stata calcolata in 13.73 ± 0.12 miliardi di anni, con una costante di Hubble di 70.1 ± 1.3 km·s^-1·Mpc^-1, una composizione del 4,6% di materia barionica ordinaria; 23 % di materia oscura di natura sconosciuta, la quale non assorbe o emette luce; 72% di energia oscura la quale accelera l'espansione; infine meno del 1% di neutrini. Tutti questi dati sono coerenti con l'ipotesi che l'universo abbia una geometria piatta, e anche con il rapporto tra densità d'energia e densità critica di Ω = 1.02 ± 0.02. Questi dati supportano il modello Lambda-CDM e gli scenari cosmologici dell'inflazione, dando anche prova della radiazione cosmica di fondo di neutrini. Ma questi dati contengono anche caratteristiche inspiegate: una anomalia nella massima misura angolare del momento quadrupolico, ed una grande macchia fredda nella radiazione cosmica di fondo. Secondo la rivista scientifica Science, il WMAP è stato il Breakthrough of the Year for 2003 (scoperta dell'anno 2003). I risultati di questa missione sono stati al primo e al secondo posto della lista "Super Hot Papers in Science Since 2003". Alla fine del 2008 il satellite WMAP era ancora in funzione, mentre è prevista la sua dismissione per il mese di settembre 2009. Lo scopo primario del progetto WMAP è la misurazione delle differenze di temperatura nella radiazione cosmica di fondo. Le anisotropie della radiazione vengono quindi utilizzate per calcolare la geometria dell'universo, il suo contenuto e l'evoluzione, e per testare i modelli del Big Bang e dell'inflazione cosmologica. Per questo, il satellite sta creando una mappa completa della radiazione di fondo, con una risoluzione di 13 arcominuti tramite una osservazione multi frequenza. Tale mappatura, per assicurare una accuratezza angolare superiore alla sua risoluzione, richiede il minor numero possibile di errori sistematici, pixel di rumore non correlati tra loro ed una calibrazione accurata. La mappa è formata da 3,145,728 pixel e usa lo schema HEALPix per trasformare in pixel la sfera. Il telescopio misura inoltre la polarizzazione E-mode della radiazione di fondo, e la polarizzazione in primo piano. La sua vita è di 27 mesi: 3 mesi per ricercare la posizione L2, ed i restanti 24 mesi di osservazione Il posizionamento dell'orbita al punto di Lagrange 2 (1,5 milioni di km circa dalla Terra), minimizza le emissioni di interferenza proveniente dal Sole, dalla Terra e dalla Luna, permettendo anche una stabilità termica degli strumenti. Per poter analizzare il cielo senza puntare verso il Sole, il WMAP orbita nel punto L2 con un'orbita di Lissajous, con un angolo che varia dai 1,0 ai 10,0 gradi^[5], ed un periodo di 6 mesi. Il telescopio ruota ogni 2 minuti e 9 secondi (0,464 giri/min), e procede alla velocità di 1 rivoluzione all'ora.^[5] Il WMAP compie un'intera analisi del cielo ogni 6 mesi, avendo completato la prima nell'aprile del 200 Il WMAP raccoglie dati in cinque lunghezze d'onda differenti, permettendo così di eliminare varie radiazioni contaminanti la radiazione di fondo (provenienti dalla Via Lattea o da altre fonti extra galattiche). I meccanismi principali di emissione sono radiazioni sincrotroniche e Bremsstrahlung (quest'ultima detta anche free-free emission, radiazione di frenamento), le quali predominano alle frequenze più basse, mentre alle frequenze più alte la principale fonte di emissione sono le polveri interstellari. Le proprietà di spettro di queste emissioni danno un contributo diverso nelle cinque frequenze analizzate, permettendo così la loro identificazione e successiva eliminazione. Le contaminazioni di fondo vengono rimosse in vari modi.

Si eliminano le contaminazioni ancora presenti nelle misurazioni del WMAP;
per le componenti conosciute delle misurazioni del WMAP, se ne utilizzano i valori di spettro per identificarle;
vengono fatti combaciare simultaneamente la posizione e l'elemento della contaminazione, utilizzando vari parametri addizionali. Le emissioni inquinanti vengono inoltre rimosse prendendo in considerazione solo la porzione analizzata del cielo con la minore quantità di radiazioni inquinanti, mascherando le porzioni rimanenti.

Emissioni di diverso tipo riprese nei cinque anni di attività della sonda, a diverse frequenze. Rosso = Sincrotrone; Verde = Bremsstrahlung; Blu = Polvere termica.

23 GHz	33 GHz	41 GHz	61 GHz	94 GHz

L'11 febbraio 2003 la NASA ha pubblicato i risultati del primo anno di funzionamento del WMAP, rendendo noti dati come l'età dell'universo, la sua composizione ed una sua immagine dettagliata, la quale, a detta degli scienziati, contiene dettagli così sbalorditivi che potrebbe essere considerato uno dei migliori risultati scientifici degli ultimi anni. La qualità e la precisione di tali dati supera di gran lunga ogni altro dato precedente sulla radiazione cosmica di fondo. Basandosi sul Modello Lambda-CDM, gli scienziati del WMAP hanno estrapolato i dati cosmologici partendo dai dati del primo anno. Nella colonna sottostante vengono forniti tre tipi di dati: i primi due (Dato migliore (solo WMAP) e Dato migliore (WMAP e parametri extra)) si riferiscono ai risultati ottenuti dal WMAP; la differenza fra questi due tipi di dati risiede nell'aggiunta nella seconda colonna degli indici spettrali, previsti da alcuni modelli inflazionari. La terza colonna di dati (Dato migliore (tutti i dati)), invece, combina i dati con le restrizioni calcolate da altri esperimenti (come ACBAR e CBI), e con altre restrizioni derivanti dalla foresta Lyman-alfa e dal 2dF Galaxy Redshift Survey.

Da notare che queste restrizioni sono delle degenerazioni sui parametri del WMAP, e la più significava si trova fra n_s e τ. Gli errori sui dati presentano un intervallo di confidenza del 68%. Usando i dati migliori ottenuti in questo modo e i modelli teorici, il team del WMAP è riuscito a calcolare i tempi degli eventi più importanti dell'universo, tra i quali:

lo spostamento verso il rosso della reionizzazione, calcolato come 17 ± 4;
lo spostamento verso il rosso del disaccoppiamento, 1089 ± 1;
l'età dell'universo al disaccoppiamento, $379^{+8}_{-7}$ Ka;
lo spostamento verso il rosso dell'equivalenza materia/radiazione, $3233^{+194}_{-210}$ .

Sono stati calcolati anche altri parametri, come:

lo spessore della superficie di ultimo scattering, 195 ± 2 nello spostamento verso il rosso, o $118^{+3}_{-2}$ Ka;
la densità barionica attuale, $(2,5 \pm 0,1) \times 10^{-7} cm^{-1}$ ;
il rapporto barioni/fotoni, $(6,1^{+0,3}_{-0,2}) \times 10^{-10}$

Le misurazioni del WMAP di una precedente reionizzazione escludono la materia oscura tiepida

Sono state esaminate anche le emissioni della Via Lattea sulle frequenze operative del WMAP, evidenziando così 208 sorgenti puntiformi. È stato osservato inoltre l'effetto Sunyaev-Zel'dovich a 2.5σ, la cui sorgente più forte è l'ammasso della Chioma. Il 17 marzo 2006 sono stati rilasciati i dati relativi a un triennio di funzionamento del WMAP. Tra i vari dati, vi sono anche la temperatura e la polarizzazione delle misurazione della radiazione di fondo, le quali hanno ulteriormente confermato lo standard piatto del modello Lambda-CDM, e altre prove a favore del modello inflazionistico. Tali dati mostrano che nell'universo debba essere presente della materia oscura. I risultati sono stati elaborati, sia con i soli dati del WMAP, sia in combinazione con altri dati, tra i quali i dati di altri esperimenti sulla radiazione di fondo, come l'ACBAR, il telescopio CBI, il pallone BOOMERanG, lo SDSS, il 2dF Galaxy Redshift Survey, il Supernova Legacy Survey, e altre costrizioni sulla costante di Hubble date dal telescopio spaziale Hubble.

Immagine radiazione cosmica di fondo calcolata dopo 5 anni di lavoro del WMAP (2008)

I dati relativi a cinque anni di lavoro della sonda sono stati resi pubblici il 28 febbraio 2008. Tali dati, tra le altre cose, includono nuove prove dell'esistenza della radiazione cosmica di fondo di neutrini, prove sul tempo impiegato dalla prima stella a reionizzare l'universo (oltre mezzo miliardo di anni), e nuove restrizioni sull'inflazione cosmologica. I miglioramenti nei risultati sono dovuti a varie ragioni: innanzitutto a due anni di misurazioni extra, ma anche dai miglioramenti sulle tecniche di elaborazione dei dati e da una migliore caratterizzazione dello strumento. Oltre questo, è stato usato anche il canale a 33 GHz per l'osservazione dei parametri cosmologici: precedentemente venivano usati solo i canali a 41 GHz e a 61 GHz. Miglioramenti nello spettro si sono avuti nel terzo picco acustico e nello spettro di polarizzazione. I dati portano delle restrizioni sul contenuto dell'universo al momento dell'emissione della radiazione di fondo: dai dati risulta che, a quel momento, l'universo fosse formato al 10% di neutrini, al 12% di atomi, al 15% di fotoni e al 63% di materia oscura. Secondo questi parametri, il contributo dell'energia oscura è trascurabile.

Dati rilevanti dei parametri cosmologici dopo cinque anni di funzionamento del WMAP
Parametro	Simbolo	Dato migliore (solo WMAP)	Dato migliore (WMAP + SNe + BAO)
Costante di Hubble ( ^km/_Mpc·s )	H₀	$0,719^{+0,026}_{-0,027}$	0,701 ± 0,013
Contenuto barionico	Ω_bh²	0,02273 ± 0,00062	0,02265 ± 0,00059
Materia fredda oscura	Ω_ch²	0,1099 ± 0,0062	0,1143 ± 0,0034
Energia oscura	Ω_Λ	0,742 ± 0,030	0,721 ± 0,015
Profondità ottica alla reionizzazione	τ	0,087 ± 0,017	0,084 ± 0,016
Indice spettrale	n_s	$0,963^{+0,014}_{-0,015}$	$0,960^{+0,014}_{-0,013}$
Variazione dell'indice spettrale	dn_s / dk	−0,037 ± 0,028	$-0,032^{+0,021}_{-0,020}$
Ampiezza fluttuazioni a 8h⁻¹ Mpc	σ₈	0,796 ± 0,036	0,817 ± 0,026
Età dell'universo (Ga)	t₀	13,69 ± 0,13	13,73 ± 0,12
Densità totale dell'universo	Ω_tot	$1,099^{+0,100}_{-0,085}$	1,0052 ± 0,0064
Rapporto tensore-scalare	r	<0,20

I risultati del WMAP pongono dei limiti anche al valore del rapporto tensore-scalare, r < 0,20 (con certezza del 95%), il quale determina il livello al quale le onde gravitazionali influiscono sulla polarizzazione della radiazione di fondo; inoltre pongono dei limiti sull'ammontare della non gaussianità primordiale. Altre restrizioni sono state applicate allo spostamento verso il rosso della reionizzazione, risultando così 10,8 ± 1,4, allo spostamento verso il rosso del disaccoppiamento, $1091,00^{+0,72}_{-0,73}$ , all'età dell'universo al disaccoppiamento $375938^{+3148}_{-3115}$ anni, e allo spostamento verso il rosso dell'equivalenza materia/radiazione $3280^{+88}_{-89}$ . La lista delle fonti extragalattiche è stata modificata in modo da includere 390 fonti, ed è stata calcolata una variabilità nelle emissioni provenienti da Marte e Saturno.

Le mappe risultanti dai dati al quinto anno a diverse frequenze, con le emissioni di fondo (banda rossa)

23 GHz	33 GHz	41 GHz	61 GHz	94 GHz

Comparison of COBE and WMAP sky images
Fluctuations seen by COBE	Fluctuations seen by WMAP

L'Esperimento BOOMERanG

Un risultato storico quello ottenuto dall'esperimento BOOMERanG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), nato dalla collaborazione tra Italia e Stati Uniti. L'esperimento ha infatti permesso di ottenere la prima immagine dell' Universo primordiale: ci mostra come era l' Universo poco dopo il Big Bang. Esso appare come una "palla di fuoco", formata da gas incandescente, calda poco meno del Sole. Ma l' esperimento dimostra anche che l' Universo ha una geometria esattamente euclidea, come previsto dalla teoria dell’ "inflation", una variante moderna della teoria del Big Bang. "L' intensa luce presente allora ha viaggiato nello spazio per piu' di dieci miliardi di anni, e si e' trasformata, a causa dell' espansione dell' Universo, in debole radiazione a microonde (il cosiddetto fondo cosmico a microonde) prima di essere raccolta dal sensibilissimo telescopio dell' esperimento BOOMERanG" racconta il prof. Paolo de Bernardis, dell’ Universita’ "La Sapienza", coordinatore italiano dell’ esperimento. Nell' immagine, che appare nel numero del 27 Aprile 2000 della rivista scientifica Nature, sono visibili piccole variazioni della temperatura della "palla di fuoco primordiale". Le zone leggermente piu' calde (rappresentate in colore piu' chiaro nella figura) sono anche leggermente piu' dense. Nei dieci miliardi di anni che la luce ha impiegato ad arrivare da quella remota regione di universo, le zone piu' dense si sono accresciute sempre piu', creando alla fine la stessa gerarchia di strutture (superammassi di galassie, ammassi, galassie, stelle, pianeti) che vediamo nell' Universo vicino. Le zone meno dense (rappresentate in colore piu' scuro) hanno formato grandi regioni vuote, anch' esse visibili nell' Universo vicino. Nell' immagine di BOOMERanG sono quindi visibili per la prima volta le "protostrutture", i semi della formazione di strutture nell' Universo. Il fondo cosmico a microonde fu scoperto nel 1965 da A. Penzias e R. Wilson. Dopo 27 anni di tentativi da parte di gruppi di sperimentatori in tutto il mondo, il primo grande successo e' stato ottenuto dal satellite COBE della NASA, che nel 1992 ha mostrato l' esistenza di piccole fluttuazioni di temperatura del fondo cosmico, senza pero' ottenerne una immagine dettagliata. BOOMERanG, impiegando sensori circa 100 volte piu' sensibili di quelli di COBE, ed un telescopio che permette una nitidezza circa 50 volte migliore di quella di COBE, ha ottenuto adesso l' immagine dettagliata delle elusive fluttuazioni di temperatura. BOOMERanG e' stato realizzato in 8 anni di lavoro da una ampia collaborazione internazionale, diretta dal prof. Paolo de Bernardis e dal prof. Andrew Lange del California Institute of Technology, ed e' stato finanziato in Italia dall' Agenzia Spaziale Italiana (ASI), dal Programma Nazionale Ricerche in Antartide (PNRA) e dall' Universita' di Roma "La Sapienza", negli USA dalla National Air and Space Administration (NASA) e dalla National Science Foundation, e dal Particle Physics and Astronomy Research Council (PPARC) in Gran Bretagna.

"L' esperimento opera al di fuori dell' atmosfera terrestre, appeso sotto un grande pallone stratosferico. Qui effettua le scansioni del cielo per realizzare la mappa dell' universo primordiale, osservando al di fuori della nostra Galassia, attraverso un varco che si apre nel mezzo interstellare in una particolare regione dell' emisfero sud. Per questo motivo BOOMERanG e' stato lanciato dalla NASA/NSBF in Antartide, ed ha circumnavigato il continente per circa 10 giorni, a cavallo tra il 1998 e il 1999, ad una quota di 38 km, eseguendo automaticamente le scansioni e l' acquisizione dei dati" spiega il dr. Silvia Masi, dell’ Universita’ La Sapienza, figura chiave nella collaborazione. La mappa dell' Universo primordiale osservato da BOOMERanG e' stata realizzata e analizzata in circa 16 mesi di analisi dati con metodi matematici sofisticati e potenti computer paralleli. "Analizzandola in dettaglio, si trova che la mappa e' in spettacolare accordo con le moderne teorie di formazione delle strutture. In tali teorie e' prevista una dimensione angolare caratteristica delle strutture vicina al grado, ed una ampiezza delle stesse intorno ad alcune decine di milionesimo di grado centigrado, esattamente come misurato da BOOMERanG" dice il dr. Francesco Piacentini, membro italiano del team. Tutto questo ha permesso di fornire nuove informazioni sui lati meno conosciuti del nostro universo: la sua geometria, il suo contenuto ed il suo destino. Il lungo cammino della luce del fondo cosmico puo' avvenire su cammini paralleli (se la geometria dell'universo e' Euclidea), oppure su cammini curvi se la geometria dello spazio e piu' simile alla superficie di una sfera o di un iperboloide. Responsabile della curvatura, come mostrato da Einstein, e' la quantita' di massa-energia presente, che svolge il ruolo di 'lente gravitazionale', deformando le grandezze reali delle protostrutture. Il risultato e' che la dimensione angolare misurata sperimentalmente, elevata al quadrato, e' proporzionale alla massa-energia contenuta nell'universo. Le misure di BOOMERanG hanno permesso di stabilire che la massa dell'universo e' esattamente quella che ci si aspetta nel caso di geometria piatta, Euclidea, come previsto dalla teoria dell’ "Inflation", e che l' Universo continuera' quindi ad espandersi senza limite. "La materia visibile oggi nell’ universo rende conto di circa il 5% della massa che deve essere presente nell’ universo per renderlo Euclideo. E’ ben noto che deve esistere della "materia oscura", ma le osservazioni dei moti delle galassie mostrano che questa puo’ rendere conto al massimo di un altro 30%. I dati di BOOMERanG mostrano per la prima volta in modo incontestabile che deve esistere un altro 65% di massa-energia, in forma per ora ignota" spiega il dr. Alessandro Melchiorri, membro italiano del team. Secondo la teoria dell’ "inflation", l' Universo in cui viviamo proviene da un microscopico volume che si e' gonfiato esponenzialmente di un enorme fattore nei primi istanti dopo il Big Bang. Qualunque curvatura dello spazio presente inizialmente viene completamente appiattita dalla "inflation", e l' universo risultante ha una geometria perfettamente piatta, Euclidea. Inoltre, le fluttuazioni quantistiche presenti a livello microscopico diventano piccole fluttuazioni di densita' della materia oscura presente nell' Universo, che fanno oscillare il gas incandescente della palla di fuoco primordiale, provocando le fluttuazioni di temperatura evidenti nella mappa di BOOMERanG. Questa rappresenta quindi una prima conferma dell’ ambiziosa teoria, che collega i fenomeni microscopici a quelli cosmologici. L'esperimento BOOMERANG, che nel 2000 aveva misurato la curvatura dell' universo realizzando una mappa dell'universo primordiale, ha reso pubblici i risultati delle nuove misure, svolte a bordo di un pallone stratosferico in volo sull'Antartide nel 2003. L'analisi dei dati raccolti dal telescopio, che ha richiesto piu' di due anni di lavoro di due team indipendenti di scienziati Italiani e Nord-Americani, ha evidenziato un debolissimo segnale polarizzato nella radiazione proveniente dall'universo primordiale. Il prof. Paolo de Bernardis, responsabile italiano dell'esperimento, ha spiegato: "Dopo i risultati del 2000, abbiamo deciso di modificare l' esperimento in modo da renderlo sensibile alla polarizzazione. In pratica l'esperimento permette ora di registrare la direzione di oscillazione delle microonde che provengono dall'universo primordiale. Fin dal 1968 era stato previsto che ci fossero delle direzioni di oscillazioni preferite, a causa delle diffusioni che questa luce subisce nell' universo primordiale. E' un po' come guardare attraverso occhiali polaroid: la luce del sole, ad esempio, non cambia se si gira la lente perche' non e' polarizzata. Ma la luce riflessa da un vetro o dalla superficie dell'acqua cambia intensita' con la rotazione della lente, perche' ha interagito con la materia ed ha acquistato un po' di polarizzazione. Solo oggi siamo riusciti a misurare questo effetto con buona precisione per le microonde primordiali". La dr.ssa Silvia Masi, prima autrice del piu' lungo dei cinque articoli che descrivono i risultati, aggiunge: "Si tratta di un effetto debolissimo: solo 1 parte per milione della radiazione cosmica a microonde lo mostra. Ma l'esperimento che abbiamo svolto e' stato ottimizzato per estrarre questo effetto da molti altri effetti spurii, come la polarizzazione generata dallo strumento e quella prodotta dalla nostra Galassia". Nell'articolo (95 pagine dense di equazioni e diagrammi, sottomesso per pubblicazione alla rivista europea Astronomy and Astrophysics) sono mostrate per la prima volta le mappe della radiazione di fondo e della sua polarizzazione. Il dr. Francesco Piacentini, primo autore di un altro articolo sottomesso per pubblicazione all'Astrophysical Journal, spiega: "la misura della polarizzazione e' importante perche' e' un effetto che si produce 380000 anni dopo il Big Bang (circa 14 miliardi di anni fa) a causa dei movimenti delle nuvole di materia incandescente presenti nell' universo primordiale. Dopo averne studiato la forma con il primo volo di BOOMERANG, adesso cominciamo a studiarne le velocita'. Questo ci permette di sottoporre a test sempre piu' stringenti la teoria dell'universo primordiale, che ne esce nuovamente a testa alta. Queste misure rappresentano un primo passo nello studio sempre piu' dettagliato della polarizzazione del fondo cosmico. L'ing. Andrea Boscaleri dell'IFAC-CNR aggiunge: "Con questa misura abbiamo validato una nuova tecnologia di rivelazione, che potra' essere riutilizzata in futuro su esperimenti ancora piu' grandi e ambiziosi per cercare di esplorare la polarizzazione delle microonde prodotta nei primi attimi dopo il Big Bang, durante l'ipotetico processo inflazionario ipotizzato dai Fisici Teorici". Ed il dr. Giovanni Romeo dell'INGV aggiunge: "Per queste misure sono necessarie osservazioni ancora piu' lunghe, da effettuare prima in quota in Antartide, ad esempio dalla base di Dome-Concordia, e poi su una missione spaziale dedicata". L'esperimento BOOMERanG e' stato finanziato in Italia dall'Agenzia Spaziale Italiana, dal Programma Nazionale di Ricerche in Antartide, e dalla Universita' di Roma "la Sapienza". In Italia hanno realizzato la missione i gruppi del Dip.to di Fisica dell' Universita' di roma la Sapienza (P. de Bernardis), del'IFAC-CNR di Firenze (A. Boscaleri), e dell'Istituto Nazioanle di Geofisica e Vulcanologia (G. Romeo).

Parameter	Value		Description
t₀	$13.75\pm0.11 \times10^9$ years		Age of the universe
H₀	$70.4^{+1.3}_{-1.4}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹		Hubble constant
Ω_bh²	$0.0260\pm0.00053$		Physical baryon density
Ω_ch²	$0.1123\pm0.0035$		Physical dark matter density
Ω_b	$0.0456\pm0.0016$		Baryon density
Ω_c	$0.227\pm0.014$		Dark matter density
Ω_Λ	$0.728^{+0.015}_{-0.016}$		Dark energy density
Δ_R²	$2.441^{+0.088}_{-0.092}\times10^{-9}$ , k₀ = 0.002Mpc⁻¹		Curvature fluctuation amplitude
σ₈	$0.809\pm0.024$		Fluctuation amplitude at 8h⁻¹Mpc
n_s	$0.963\pm0.012$		Scalar spectral index
z_*	$1090.89^{+0.68}_{-0.69}$		Redshift at decoupling
t_*	$377730^{+3205}_{-3200}$ years		Age at decoupling
τ	$0.087\pm0.014$		Reionization optical depth
z_reion	$10.4\pm1.2$		Redshift of reionization
Parameter		Value		Description
Ω_tot		$1.0023^{+0.0056}_{-0.0054}$		Total density
w		$-0.980\pm0.053$		Equation of state
r		< 0.24, k₀ = 0.002Mpc⁻¹ (2σ)		Tensor-to-scalar ratio
d n_s / d ln k		$-0.022\pm0.020$ , k₀ = 0.002Mpc⁻¹		Running of the spectral index
Ω_vh²		< 0.0062		Physical neutrino density
Σm_ν		< 0.58 eV (2σ)		Neutrino mass

Mappa dell'universo primordiale derivata dai dati dell'esperimento. I diversi colori indicano piccolissime variazioni della temperatura del fondo a microonde, e quindi della materia incandescente nell'universo primordiale. le fluttuazioni sono di poche parti su centomila. Le lineette nere indicano l'intensita' e la direzione di oscillazione delle microonde (polarizzazione), a livelli di poche parti per milione. L'immagine e' stata filtrata per rendere queste direzioni particolarmente evidenti.