A parte le piccole fluttuazioni discusse sopra (una parte su 100.000), la radiazione di fondo cosmica osservata mostra un alto grado di isotropia , un fatto di ordine zero che presenta sia soddisfazione che difficoltà per una teoria completa. Da un lato, fornisce una forte giustificazione per l’assunzione di omogeneità e isotropia che è comune alla maggior parte dei modelli cosmologici. D’altra parte, tale omogeneità e isotropia sono difficili da spiegare a causa del problema “luce-orizzonte”. Nel contesto del fondo cosmico a microonde, il problema può essere espresso come segue. Si consideri la radiazione di fondo che arriva a un osservatore da qualsiasi due lati opposti del cielo. Chiaramente, qualunque siano le fonti ultime (plasma caldo) di questa radiazione, i fotoni, viaggiando alla velocità della luce sin dalla loro emissione da parte del plasma, hanno avuto solo il tempo di raggiungere la Terra ora. un lato del cielo non avrebbe potuto avere il tempo di “comunicare” con la materia dall’altra parte (sono oltre l’orizzonte luminoso l’uno dell’altro), quindi come è possibile (rispetto a un osservatore nel riquadro di riposo destro) che “sanno” di avere la stessa temperatura con una precisione che si avvicina a una parte su 100.000? Cosa spiega l’elevato grado di isotropia angolare del fondo cosmico a microonde?

Un meccanismo chiamato “inflazione” offre un modo attraente fuori da questo dilemma . L’idea di base è che alle alte energie, la materia è meglio descritta dai campi che dai mezzi classici. Il contributo di un campo alla densità di energia (e quindi alla densità di massa) e alla pressione dello stato di vuoto non doveva essere zero in passato, anche se lo è oggi. Durante il periodo della superunificazione (era di Planck, 10-43 secondi) o della grande unificazione (era GUT, 10-35 secondi), lo stato di energia più bassa per questo campo potrebbe aver corrisposto a un “falso vuoto”, con una combinazione di massa densità e pressione negativa che risultano gravitazionalmente in una grande forza repulsiva. Nel contesto della teoria della relatività generale di Einstein, il falso vuoto può essere considerato alternativamente come un contributo di una costante cosmologica circa 10100 volte più grande di quanto possa essere oggi. Il corrispondente repulsivo forza fa sì che l’universo si gonfi in modo esponenziale, raddoppiando le sue dimensioni all’incirca una volta ogni 10-43 o 10-35 secondi. Dopo almeno 85 raddoppiamenti, la temperatura, che era iniziata a 1032 o 1028 K, sarebbe scesa a valori molto bassi quasi assoluti zero.

L’inflazione fornisce un meccanismo per comprendere l’isotropia complessiva del fondo cosmico a microonde perché la materia e la radiazione dell’intero universo osservabile erano in buon contatto termico (w nell’orizzonte degli eventi cosmici) prima dell’inflazione e quindi ha acquisito le stesse caratteristiche termodinamiche. L’inflazione rapida ha portato diverse porzioni al di fuori dei loro orizzonti di eventi individuali. Quando l’inflazione finì e l’universo si riscaldò e riprese la normale espansione, queste diverse porzioni, attraverso il naturale scorrere del tempo, ricomparvero al nostro orizzonte. Tramite l’isotropia osservata del fondo cosmico a microonde, si deduce che abbiano ancora le stesse temperature.

Data la temperatura della radiazione misurata di 2,735 K, si può dimostrare che la densità di energia del fondo cosmico a microonde è circa 1.000 volte inferiore alla densità media di energia a riposo della materia ordinaria nell’universo. Pertanto, l’universo attuale è dominato dalla materia. Se si torna indietro nel tempo al redshift z, le densità numeriche medie di particelle e fotoni erano entrambe più grandi dello stesso fattore (1 + z) 3 perché l’universo era più compresso da questo fattore e il rapporto di questi due numeri avrebbe ha mantenuto il suo valore attuale di circa un nucleo di idrogeno, o protone, per ogni 109 fotoni. La lunghezza d’onda di ogni fotone, tuttavia, in passato era più corta del fattore 1 + z di quanto non lo sia ora; pertanto, la densità di energia della radiazione aumenta più velocemente di un fattore 1 + z rispetto alla densità di energia a riposo della materia. Pertanto, la densità di energia della radiazione diventa paragonabile alla densità di energia della materia ordinaria con un redshift di circa 1.000. A spostamenti verso il rosso maggiori di 10.000, la radiazione avrebbe dominato anche sulla materia oscura dell’universo. Tra questi due valori, con un redshift di circa 1.090, la radiazione si sarebbe disaccoppiata dalla materia quando l’idrogeno si sarebbe ricombinato.Non è possibile usare i fotoni per osservare redshift più grandi di questo, perché il plasma cosmico a temperature superiori a 4.000 K è essenzialmente opaco prima della ricombinazione. Questi fotoni da uno spostamento verso il rosso di 1.090 formano il fondo cosmico a microonde.

Frank H. Shu