Lezione tenuta presso la Scuola Estiva di Astronomia, Osservatorio di St. Barthélemy (AO), 23 luglio 2013

1. Il cosmo visto da
Planck
Aniello Mennella
Università degli Studi di Milano
Scuola estiva di Astronomia
St. Barthélemy (AO), 23 luglio 2013

2. La luce non viaggia a velocità
infinita
Un piccolo dettaglio che ci consente di
osservare il passato

3. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
14 maggio 1964, 11:15 am

4. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

5. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

6. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Un corpo nero “perfetto”
 Radiazione e materia nel
plasma primordiale sono in
equilibrio termico
 L'espansione causa un redshift
nelle lunghezze d'onda ma
mantiene la forma inalterata
 Questo implica che il fondo
cosmico oggi ha uno spettro di
corpo nero ad una temperatura
1000 volte inferiore a quella
dell'universo al tempo del
disaccoppiamento

7. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Un corpo nero “perfetto”
 Ad oggi non sono state rilevate
variazioni significative dello
spettro da un corpo nero su
oltre 5 ordini di grandezza in
frequenza

8. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
“Semi” nell'universo COBE
DMR
La distribuzione angolare del fondo cosmico è
correlata alla distribuzione di densità alla
superficie di ultimo scattering

9. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
“Semi” nell'universo WMAP

10. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Armoniche sfericheArmoniche sferiche

11. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Analisi di FourierAnalisi di Fourier

12. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Armoniche sfericheArmoniche sferiche

13. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Spettro di potenza
£104
0
1
2
3
4
1 10 100 1000 10000
`
Lo spettro di potenza dà una descrizione statistica della
distribuzione angolare delle anisotropie

14. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Spettro di potenza
4
1 10 100 1000 10000
`
Alle grandi scale angolari (> 1°)
le anisotropie della CMB danno
informazioni sulle perturbazioni
scalari nel potenziale
gravitazionale prima
dell'inflazione
£104

15. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Spettro di potenza
3
1 10 100 1000 10000
`
0
1
4
3
2
£104
Le scale angolari medie
(1° < δθ < 5') sono
legate a perturbazioni
causate da oscillazioni
acustiche nel plasma in
espansione prima del
disaccoppiamento

16. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Spettro di potenza
0
1
2
3
4
1 10 100 1000 10000
`
£104
Al di sotto di 5' le anisotropie
sono cancellate dalla
diffusione dei fotoni durante la
ricombinazione.

17. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Planck, il grande fotografo
 Missione spaziale ESA,
combinazione senza
precedenti di sensibilità,
risoluzione angolare,
copertura in frequenza e
controllo di errori sistematici
 Lancio: 14 maggio 2009 da
Kourou (Guyana Francese)
con il satellite Herschel
 Orbita: attorno al punto
Lagrangiano L2
 Terminerà le sue operazioni a
settembre 2013

18. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Orbita: punto lagrangiano L2
1.5 million Km

19. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
1,5 m
L'occhio di Planck

20. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

22. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
High Frequency Instrument
Schiera di bolometri raffreddati
a 0.1 K alle frequenze
100­857 GHz
Sensibili alla polarizzazione fra
100 and 353 GHz
Spider­web PSB

23. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
I bolometri di HFI

24. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Low Frequency Instrument
Schiera di ricevitori
radiometrici raffreddati a 20 K
alle frequenze
30­44­70 GHz
Tutti sensibili alla
polarizzazione
Singolo ricevitore

25. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Un radiometro di LFI

26. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

27. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Cold is cool!
300 K
140 K
100 K
80 K
50 K
20 K (LFI)
0.1-4 K (HFI)

28. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

29. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Il Sorption cooler: un frigorifero
“silenzioso”

30. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

31. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

32. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

33. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Planck: 17 anni in
4 minuti

34. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Il cosmo visto da Planck

35. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Il cosmo visto da Planck
La Via Lattea in primo piano

36. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Il cosmo visto da Planck
Il fondo cosmico sullo sfondo

37. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

38. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Foregrounds
WMAP
Planck

39. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Foregrounds
WMAP
Planck
Minimo dei
foregrounds a 70 GHz

40. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Cosa succede se facciamo la differenza fra
la mappa a 70 GHz e a 100 GHz?
Cosa ci aspettiamo?

41. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
La differenza fra la mappa a 70 GHz e quella a 100 GHz rivela, come
aspettato, un residuo di rumore strumentale e di segnale solo sul piano
della Galassia

42. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
La più bella immagine
dell'universo bambino

43. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

44. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

45. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

46. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

47. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

48. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Fisica scritta in cielo
Osservazione
La sovrapposizione
di mini-mappe
costruite attorno ai
massimi e minimi di
intensità rivela
l'impronta delle
oscillazioni
acustiche della
materia barionica
~ 150 Mpc in cielo oggi,
le dimensioni dell'orizzonte del suono

49. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Fisica scritta in cielo
Osservazione
La sovrapposizione
di mini-mappe
costruite attorno ai
massimi e minimi di
intensità rivela
l'impronta delle
oscillazioni
acustiche della
materia barionica
Il massimo centrale ha le dimensioni di ~ 10 Mpc,
le dimensioni di un tipico ammasso di galassie

50. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
La concordanza fra lo
spettro di potenza
misurato e il modello
ΛCDM è spettacolare.
Vediamo alcune
caratteristiche di
questo modello

51. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
La posizione del primo
massimo è correlata
alla geometria
dell'universo

52. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Universo
chiuso
(più denso)
Universo
aperto
(meno denso)
Universo
piatto

53. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
“L'universo è piatto (errore del 4%)”
“L'universo è piatto (errore del 2%)”
“L'universo è piatto (errore del 15%)”
1999 – 2000 Boomerang
2001 – 2010 WMAP
2009 – 2013 Planck

54. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Materia
barionica
Materia
oscura

55. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Energia oscura Materia oscura
Materia “barionica”
72,8% 22,7% 4,5%
La dispensa dell'universo
secondo WMAP

56. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Energia oscura Materia oscura
Materia “barionica”
68,3% 26,8% 4,9%
La dispensa dell'universo
secondo Planck

57. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
La costante di Hubble

58. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
La concordanza
con il modello
ΛCDM è
spettacolare
DatiModello
Fisica scritta in cielo

59. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Anomalie e misteri
(poca anisotropia a grandi scale)
A grandi scale
angolari il cielo è
più isotropo del
previsto

60. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Anomalie e misteri
(asimmetria e cold spot)

61. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Anomalie e misteri
(asimmetria e cold spot)

62. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Materia oscura nell'universo

63. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

64. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

65. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

66. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Distribuzione della materia
nell'universo

67. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Il prossimo passo: la
polarizzazione

68. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
L'analisi statistica
della polarizzazione
dalle mappe di
Planck rivela una
concordanza
spettacolare con il
modello.
Un'analisi
approfondita è
necessaria per
indagare fenomeni
fisici dell'universo
inflazionario
DatiModello
Il prossimo passo: la
polarizzazione

69. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
E dopo Planck?
 Numerose domande che emergono dalle teorie attuali
richiedono nuovi esperimenti
 Che cos'è la materia oscura?
 L'energia oscura esiste? Qual è la sua natura?
 L'inflazione è realmente avvenuta? In quali condizioni?
 Il potenziale gravitazionale primordiale presentava fluttuazioni
tensoriali (onde gravitazionali)?
 Come hanno iniziato a formarsi le strutture dopo il
disaccoppiamento? Quando e come l'universo si è reionizzato su
larga scala?
Molte di queste domande possono essere affrontate
con misure di precisione della polarizzazione del
fondo cosmico a micro­onde

70. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
LSPE–LargeScalePolarizationExplorer

71. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella

72. 23 luglio 2013 St. BarthèlemyMennella
Conclusioni
 Le anisotropie di fondo cosmico sono come l'immagine di un
bambino appena nato di cui vogliamo conoscere il suo passato
e il suo futuro
 In 50 anni il fondo cosmico si è dimostrato un mezzo molto
potente per capire l'universo. In molti casi le misure e le teorie
si accordano in modo meraviglioso
 Planck ci ha restituito un'immagine di qualità senza precedenti
ed ha aperto la strada ad un futuro ricco di domande ricche e
profonde
 Non si tratta di trovare l'ultima risposta, ma di stabilire un
dialogo con il mondo che ci circonda che è, in ultima analisi,
parte di noi stessi