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Planck VS BICEP2: sottovalutato il problema della polvere

Nel mese di marzo, il team americano dell'esperimento BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), condotto presso il South Pole Telescope (SPT), annunciava di aver identificato le impronte delle onde gravitazionali primordiali, ossia il segno lasciato dalla rapida espansione dello spazio appena una frazione di secondo dopo il Big Bang.

Un'affermazione storica che, se fosse stata validata, sarebbe diventata la prima prova diretta della Teoria dell'Inflazione Cosmica che causò la crescita esponenziale dell'Universo subito dopo l'istante zero, ossia il momento della nascita.

BICEP2

Nel mese di marzo, il team americano dell'esperimento BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), condotto presso il South Pole Telescope (SPT), annunciava di aver identificato le impronte delle onde gravitazionali primordiali, ossia il segno lasciato dalla rapida espansione dello spazio appena una frazione di secondo dopo il Big Bang.

Un'affermazione storica che, se fosse stata validata, sarebbe diventata la prima prova diretta della Teoria dell'Inflazione Cosmica che causò la crescita esponenziale dell'Universo subito dopo l'istante zero, ossia il momento della nascita. Ma lo studio fu subito accolto con diffidenza da chi sosteneva che altri elementi, come gli effetti della polvere cosmica della nostra Galassia, fossero stati sottovalutati.

Supposizioni che ora sembrano trovare sostegno nell'analisi dei dati rilevati dal satellite dell'ESA Planck sull’emissione polarizzata della polvere a elevate latitudini galattiche.
Risultati che pongono un pesante punto interrogativo sul segnale rilevato da BICEP2, probabilmente troppo contaminato per essere la firma inequivocabile delle onde gravitazionali primordiali

In un documento pubblicato sul server arXiv, i ricercatori di Planck sottolineano che la parte del cielo osservata dal team BICEP2 conteneva molta più polvere di quanto supposto.

Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes [abstract]

The polarized thermal emission from Galactic dust is the main foreground present in measurements of the polarization of the cosmic microwave background (CMB) at frequencies above 100GHz. We exploit the Planck HFI polarization data from 100 to 353GHz to measure the dust angular power spectra CℓEE,BBℓ over the range 40<ℓ<600. These will bring new insights into interstellar dust physics and a precise determination of the level of contamination for CMB polarization experiments. We show that statistical properties of the emission can be characterized over large fractions of the sky using C. For the dust, they are well described by power laws in ℓ with exponents αEE,BB=−2.42±0.02. The amplitudes of the polarization C vary with the average brightness in a way similar to the intensity ones. The dust polarization frequency dependence is consistent with modified blackbody emission with βd=1.59 and Td=19.6K. We find a systematic ratio between the amplitudes of the Galactic B- and E-modes of 0.5. We show that even in the faintest dust-emitting regions there are no "clean" windows where primordial CMB B-mode polarization could be measured without subtraction of dust emission. Finally, we investigate the level of dust polarization in the BICEP2 experiment field. Extrapolation of the Planck 353GHz data to 150GHz gives a dust power ℓ(ℓ+1)CℓBB/(2π) of 1.32×10−2μK2CMB over the 40<ℓ<120 range; the statistical uncertainty is ±0.29 and there is an additional uncertainty (+0.28,-0.24) from the extrapolation, both in the same units. This is the same magnitude as reported by BICEP2 over this ℓ range, which highlights the need for assessment of the polarized dust signal. The present uncertainties will be reduced through an ongoing, joint analysis of the Planck and BICEP2 data sets.

Ora, i gruppi BICEP2 e Planck stanno lavorando ad una valutazione congiunta ed i risultati verranno probabilmente rilasciati entro fine anno.

L'esperimento BICEP2, condotto presso il South Pole Telescope (SPT), esegue la scansione del cielo alla ricerca di sottili segnali nascosti nel fondo cosmico a microonde, Cosmic Microwave Background o CMB, la radiazione rilasciata dopo il Big Bang, quando l'Universo si era raffreddato abbastanza da permettere ai fotoni di viaggiare liberamente attraverso lo spazio.

L'Universo primordiale era estremamente caldo e denso ma circa 380.000 anni dopo il Big Bang, si era raffreddato abbastanza tanto da consentire alle luce di muoversi liberamente, senza arrestarsi contro una o l'altra particella. Questi fotoni hanno viaggiato da allora e sono quelli che vediamo oggi con i nostri telescopi, rilevati come una debole radiazione cosmica di fondo (CMB).

La CMB riempie ogni centimetro cubo dell'Universo osservabile, il cosiddetto bagliore del Big Bang che è praticamente uniforme in tutte le direzioni e la sua mappa era stata battezzata la "foto dell'Universo neonato".
L'idea è che l'Universo ha registrato un picco di crescita esponenziale nel suo primo millesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo, una rapida espansione che avrebbe spianato le irregolarità.

Il telescopio antartico, lo scorso, è stato in grado di rilevare il debole segnale impresso nella radiazione cosmica di fondo, chiamato polarizzazione primordiale B, o B-mode, i "primi tremori del Big Bang".

La polarizzazione primordiale B è una sorta di increspatura che è stata impressa sui fotoni CMB.
La luce, essendo un'onda, oscilla in una direzione particolare, conosciuta come polarizzazione, assegnata a ciascun fotone nel momento in cui è stato creato. Ma la gravità deforma tutto l'Universo, compresa la luce. I fotoni CMB, perciò, che hanno viaggiato attraverso le stelle e le galassie del passato, sono stati piegati dall'influenza gravitazionale di questi oggetti massicci, la flessione che ha prodotto il B-mode di polarizzazione.

Ma c'è un'altra polarizzazione primordiale B, che i cosmologi hanno ricercato a lungo, quella in cui la luce CMB è stata agitata da enormi onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio-tempo, provenienti da un periodo estremamente precoce nella vita dell'Universo, conosciuto come l'Inflazione.

Una traccia estremamente difficile da individuare perché molto debole e coperta da altri segnali.

La principale fonte di questo scomodo "rumore" sono i grani di polvere.

Queste innumerevoli particelle rimangono intrappolate ed allineate nei campi magnetici che attraversano la nostra Galassia, emettento luce con una qualità direzionale ed imprimendo sulle mappe della polarizzazione del cielo a microonde una firma del tutto simile a quella prevista per le onde gravitazionali primordiali, ammesso che il modello inflazionistico sia corretto. Un segnale comunque forte, in grado di contaminare altri dati.

Planck ha una copertura spettrale ampia ed è in grado di mappare l'intero cielo; BICEP2, invece, è più sensibile ma funziona ad una sola frequenza e copre un campo di vista relativamente piccolo.

Così, il team aveva deciso di indirizzare le osservazioni verso la parte più "limpida" di cielo sopra l'Antartide e di usare ogni informazione a disposizione per ripulire il segnale.

Quello che mancava, però, era l'accesso completo ai dati sulla polvere rilevati da Planck, che ha mappato il cielo a microonde a molte frequenze. Informazioni che permettono di caratterizzare più facilmente le particelle e di individuarne gli effetti confondenti.
Il documento di Planck dettaglia le proprietà di polarizzazione della polvere attraverso una grande fascia di cielo a latitudini galattiche intermedie ed elevate e i risultati non sono stati incoraggianti: nella finestra di BICEP2 vi erano molte più particelle del previsto tanto che la maggior parte del segnale identificato dalla squadra, se non tutto, potrebbe essere attribuito alla polvere.

Planck mappa della polvere

Le mappe mostrano le due proiezioni Nord e Sud di cielo. Le zone con meno polvere sono quelle in blu.
Il quadrilatero nero nella mappa di destra rappresenta la zona di cielo osservata da BICEP2
Crediti: Planck/ESA. Fonte: arxiv.org/abs/1409.5738

Nel mese di giugno, il team del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics aveva già messo le mani avanti declassando i propri risultati in occasione della loro pubblicazione sulla rivista Physical Review Letters.
In quell'occasione, il prof Pryke dell'University College London aveva dichiarato:
"I dati reali di Planck stanno indicando che i nostri modelli di polvere sono sottostimati. Così come la conoscenza sul livello delle polveri a queste latitudini è salito, la fiducia che ci sia realmente una componente d'onda gravitazionale è andata a diminuire, che è una cosa molto difficile da ammettere, ma i dati trionfano sui modelli".

In base a quanto riportato da Adrian Cho su Science , Clement Pryke, cosmologo presso l'Università del Minnesota, Twin Cities, e un co-investigatore principale per la squadra BICE2, avrebbe dichiarato che la mappa in polarizzazione era una "questiona spinosa" perché i dati di Plank ancora non erano stati rilasciati e il team si sarebbe arrangiato con un pdf di quella mappa, presentato dalla squadra di Plank durante una conferenza.

Un annuncio, quindi, sicuramente prematuro quello di BICEP2, messo in serie difficoltà dai risultati di Plank ma non è detta l'ultima parola. D'altra parte i nuovi dati non mettono in discussione il segnale a 150 GHz rilevato dal team americano ma la sua origine, che considerato il contributo non proprio irrilevante della polvere, è difficilmente ricollegabile alle onde gravitazionali primordiali. Non ci resta che attendere il responso finale.

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Dal 2009 elaboro le immagini raw delle missioni spaziali insieme a Marco Faccin ed ho creato questo blog ad agosto 2012, in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte.
Per lavoro mi occupo di digital advertising, web e video analytics presso Shiny (SV – Italia) ma passo la maggior parte del tempo libero su questo sito e tra i cataloghi delle foto scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

Sito web: https://twitter.com/EliBonora
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