Il volo di “Boomerang”

Attaccato a un pallone stratosferico di un milione di metri cubi, Boomerang (Balloon Observation Of Millimetric Extragalactic Radiation ANisotropy and Geophysics), un telescopio di 1,20 di diametro realizzato da scienziati italiani e statunitensi, ha volato per ben undici giorni intorno al Polo Sud, a 40 km di quota, spostandosi a una media di trenta chilometri orari. Obiettivo: misurare piccole fluttuazioni di temperatura nella radiazione di fondo cosmico, una sorta di “eco” del Big Bang giunto fino a noi, rilevando onde elettromagnetiche con una lunghezza che va dai 3 millimetri (microonde) agli 800 micron (cioè 800 millesimi di millimetro, nel lontanissimo infrarosso). Il pallone con il suo carico utile è stato lanciato dalla Nasa-NSBF il 29 dicembre scorso dalla base antartica di William Field, a 18 km dalla base americana di Mc Murdo ed è atterrato l’8 gennaio, sullo stesso mare ghiacciato a sud dell’Isola di Ross dal quale era partito.

“Negli Stati Uniti, al California Institute of Technology, il gruppo di Andrew Lange ha realizzato i rivelatori e l’elettronica di volo”, spiega Paolo de Bernardis del Dipartimento di fisica dell’Università “La Sapienza” di Roma e responsabile dell’esperimento, “nei laboratori de “La Sapienza”, in collaborazione con quelli dell’Enea di Frascati, Silvia Masi ha invece progettato e realizzato il criostato che raffredda i rivelatori a 0,3 gradi Kelvin (cioè -272,7° C, appena 3 decimi di grado al di sopra dello zero assoluto) grazie a un sistema criogenico che utilizza elio ed elio-3 liquidi. Anche la navicella e il telescopio sono stati costruiti presso il nostro dipartimento, mentre il sistema di puntamento, che permette di orientare la navicella e il telescopio nella direzione voluta, è stato realizzato da Andrea Boscaleri dell’Iroe-Cnr di Firenze”.

E’ dal 1965 che in buona parte degli istituti di fisica di tutto il mondo si studia la radiazione di fondo cosmico. Ora, alla grande mole di dati già raccolti, si aggiungono quelli di Boomerang. “Nel 1992 il satellite Cobe ha scoperto che la radiazione di fondo non è perfettamente omogenea, ma presenta fluttuazioni di temperatura dell’ordine di 30 milionesimi di grado, corrispondenti a piccolissime sopradensità e sottodensità dell’Universo”, prosegue de Bernardis, “è stato un lavoro importantissimo perché ha evidenziato queste fluttuazioni. Ma Cobe aveva una risoluzione angolare molto scarsa, di circa 10°, e non poteva vedere il dettaglio di queste strutture. Boomerang, invece, ha una risoluzione angolare in grado di rilevare strutture 60 volte più piccole. Inoltre i suoi rivelatori possono misurare nello stesso intervallo di tempo fluttuazioni di temperatura cento volte inferiori a quelle osservate a suo tempo da Cobe. Con questi strumenti è dunque possibile vedere strutture di dimensioni vicine agli ammassi di galassie”.

Nello studio dell’evoluzione dell’Universo è molto importante poter osservare le cose nel dettaglio, perché si pensa che le piccole fluttuazioni nella densità di materia presenti all’epoca del Big Bang si siano poi evolute formando le galassie e gli ammassi. “Guardando queste piccole anisotropie nella temperature della radiazione di fondo”, continua de Bernardis, “guardiamo quindi la traccia fossile dei primi semi della formazione delle galassie, quando l’Universo, raffreddandosi al di sotto dei 3 mila gradi, ha cominciato a formare l’idrogeno neutro e la materia ha iniziato a concentrarsi intorno a piccoli addensamenti corrispondenti alle fluttuazioni di densità e di temperatura osservate dai rivelatori di Boomerang”.

I fotoni “raccolti” da Boomerang hanno viaggiato per 15 miliardi di anni e all’origine avevano una lunghezza d’onda di circa un micron (cioè un millesimo di millimetro). Oggi, per effetto dell’espansione dell’Universo, la loro lunghezza d’onda mille volte maggiore. Ma quali strumenti permettono di rilevare questi fotoni così antichi? “Questi fotoni”, spiega de Bernardis “sono osservabili con rivelatori sensibili alle microonde, come i raffinatissimi bolometri realizzati al Caltech in collaborazione con il Jet Propulsion Laboratory della Nasa. I bolometri sono costituiti da piccolissimi cristalli di germanio che quando assorbono i fotoni e si riscaldano. Grazie alla bassissima temperatura di lavoro, si possono rivelare minuscoli aumenti di temperatura dei cristalli e, quindi, anche debolissimi flussi di fotoni come quelli della radiazione di fondo cosmico”. Strumenti così raffinati richiedono una calibrazione particolarmente accurata. “I dati delle sorgenti di calibrazione osservate da Boomerang”, conclude de Bernardis, “verranno confrontati con quelli raccolti da altri telescopi, in Cile e nelle Haway, che sono stati puntati contemporaneamente sulle stesse regioni del cielo, ottenendo così un’ottima taratura dello strumento”.