Una mappa interamente celeste dello sfondo cosmico a microonde, come rilevato da COBE. Le differenze di temperatura (indicate dal colore) sono circa una parte su diecimila della temperatura media (2.725 Kelvin).
Credit: NASA/COBE

Secondo la teoria del Big Bang, le temperature e le pressioni per i primi ~300.000 anni dell’Universo erano tali che gli atomi non potevano esistere., La materia era invece distribuita come un plasma altamente ionizzato che era molto efficiente nello scattering delle radiazioni. Il risultato fu che le informazioni (fotoni) dell’Universo primordiale erano effettivamente intrappolate in una “nebbia” inpenetrabile che, fino ad oggi, nasconde questi primi tempi agli astronomi.

Mentre l’Universo si espandeva, tuttavia, la sua temperatura e densità scendevano a un punto in cui i nuclei atomici e gli elettroni erano in grado di combinarsi per formare atomi., Questa è conosciuta come l’epoca della ricombinazione, ed è in questo momento che i fotoni sono stati finalmente in grado di sfuggire alla nebbia dell’Universo primordiale e viaggiare liberamente. La’ radiazione cosmica di fondo a microonde ‘ (CMB) è la registrazione di questi fotoni al momento della loro fuga.

I dati di COBE corrispondono alla curva teorica del corpo nero in modo così preciso che è impossibile distinguere i dati dalla curva.,
Credit: NASA/COBE

Scoperto per la prima volta da Arno Penzias e Robert Wilson nel 1965, il CMB è una delle prove più conclusive a favore del Big Bang. In particolare, la teoria del Big Bang predice alcune caratteristiche per la radiazione rimasta dalla nascita dell’Universo, tutte confermate dalla CMB:

1. La dispersione multipla di fotoni da parte di un plasma caldo nell’Universo primordiale dovrebbe comportare uno spettro di corpo nero per i fotoni una volta che sono fuggiti all’epoca della reionizzazione. Questo è esattamente ciò che viene osservato per il CMB., La figura a destra traccia una curva teorica del corpo nero insieme ai dati CMB del satellite COsmic Background Explorer (COBE). L’accordo è così buono che è impossibile distinguere i dati dalla curva teorica.
2. I fotoni della CMB furono emessi all’epoca della ricombinazione quando l’Universo aveva una temperatura di circa 3.000 Kelvin., Tuttavia, sono stati redshifted cosmologici a lunghezze d’onda più lunghe durante il loro viaggio di ~13 miliardi di anni attraverso l’Universo in espansione, e sono ora rilevati nella regione a microonde dello spettro elettromagnetico ad una temperatura media di 2.725 Kelvin. Questo concorda bene con ciò che prevede la teoria del Big Bang.

Tuttavia, la teoria del Big Bang standard non tiene conto di tutte le proprietà osservate della CMB., In particolare, una volta rimosso il dipolo che sorge a causa del nostro movimento nell’Universo, la CMB è incredibilmente uniforme nel cielo, variando di non più di una parte su diecimila. Ciò suggerisce che le regioni dell’Universo che ora sono ampiamente separate, una volta erano abbastanza vicine da “comunicare” l’una con l’altra al fine di equalizzare la loro temperatura. Tuttavia, questo non è possibile data la teoria standard del Big Bang, l’età dell’Universo e la velocità finita della luce.,

Il modello Big Bang da solo non può tenere conto della temperatura uniforme del CMB. È anche necessario un periodo di inflazione in modo che le regioni dell’Universo primordiale siano abbastanza vicine da equalizzare termicamente.
Credit: NASA/COBE

La linea rossa nella figura a sinistra mostra che secondo la teoria del Big Bang, l’Universo aveva un raggio di oltre 10-10 metri a 10-45 secondi dopo il Big Bang., Poiché la velocità della luce viaggia a 3×108 m / s, le informazioni potrebbero aver viaggiato solo ~3×10-37 metri durante questo periodo. La teoria del Big Bang rende quindi impossibile che l’intero Universo abbia equalizzato la sua temperatura in questi primi tempi, poiché non tutto l’Universo era in comunicazione. Nella vita di tutti i giorni non possiamo ricevere informazioni oltre il nostro orizzonte, quindi questo è noto come il problema dell’orizzonte.

Per risolvere il problema dell’orizzonte, gli astronomi hanno introdotto un periodo inflazionistico nel modello del Big Bang (regione blu in figura)., Questo improvviso aumento del tasso di espansione dell’Universo subito dopo il Big Bang, risolve non solo il problema dell’orizzonte, ma anche il problema della planarità. È stato quindi accettato come parte dell’attuale modello di concordanza della cosmologia.

La presenza di una radiazione di fondo che ha una temperatura, uno spettro e un’uniformità coerenti con la cosmologia e l’inflazione del Big Bang, è estremamente difficile da produrre con qualsiasi altro mezzo. Pertanto, gli astronomi ritengono che studiando le proprietà della CMB, stiano effettivamente studiando le condizioni dell’Universo primordiale.,