Eccolo, l'universo primordiale. Una straordinaria fotografia , che Nature pubblicherà domani in copertina, ci mostra per la prima volta il cosmo negli stadi iniziali, quando galassie, stelle e pianeti non esistevano ancora e l'universo era una palla di fuoco composta di gas incandescenti. Un universo bambino, mille volte più piccolo di com'è ora, emerso dal Big Bang da una manciata di anni: 300.000 "appena", su una vita che si calcola sia iniziata 14 miliardi di anni fa. Quasi un cucciolo di universo, insomma, del quale adesso possediamo la mappa.

Nell' immagine sono visibili le "protostrutture", i semi cosmici da cui nascerà tutto il resto. Dalle macchie più chiare, più calde, dotate di una densità maggiore, emergeranno gli ammassi di galassie. Il resto, le zone più scure e fredde, dove la massa è più rarefatta, diventeranno i grandi vuoti che costellano il cosmo.

La foto dell'universo primigenio è il risultato più spettacolare di un esperimento diretto da un italiano ed un americano, che ha spinto l'occhio dell'uomo fino alle origini dello spazio e del tempo. La luce raccolta dagli strumenti di BOOMERanG (Baloon Obesrvations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics) è infatti quella della radiazione cosmica di fondo, una sorta di "eco fossile" del Big Bang. In una vera e propria impresa di archeologia cosmica, gli scienziati sono riusciti a misurare le variazioni di questa radiazione, ricostruendo con nitidezza la struttura ancestrale dell'universo e raccogliendo nuove informazioni sulla sua geometria, il suo contenuto e il suo destino.

"Grazie a queste osservazioni," sottolinea Paolo de Bernardis, docente di astrofisica all'università La Sapienza di Roma, e coordinatore dell'esperimento assieme ad Andrew Lange del Caltech, "oggi siamo in grado di dire che il nostro universo ha una geometria euclidea, dove lo spazio non è curvo e la luce percorre linee rette. È la straordinaria conferma della teoria dell' inflation , una variante moderna di quella del Big Bang, secondo la quale nei primi attimi di vita dell'universo una microscopica regione di spazio si è espansa enormemente ed è diventata tutto l'universo osservabile oggi."

Il progetto BOOMERanG è stato realizzato da un consorzio di 16 centri universitari di Italia, Canada, Gran Bretagna e Stati Uniti, e finanziato da varie istituzioni, tra cui la Nasa e, in Italia, l'Agenzia Spaziale Italiana, il Programma Nazionale Ricerche in Antartide e l'università La Sapienza. L'esperimento combina una tecnica nota come quella dei palloni stratosferici a strumentazioni innovative e complesse per la rilevazione della radiazione cosmica di fondo. "Abbiamo costruito una navicella," spiega de Bernardis, "con un telescopio che convoglia la radiazione di fondo sui rilevatori, 16 cristalli di germanio che misurano variazioni di temperatura di pochi miliardesimi di grado, e li scalda leggermente, al di sopra della bassissima temperatura alla quale sono mantenuti."

Il culmine della ricerca è stato un lungo volo sull'Antartide a cavallo del capodanno '99, quando la navicella, alta sei metri e carica delle sue sofisticate attrezzature, ha viaggiato in cerchio per dieci giorni e mezzo sopra il continente, fuori dall'atmosfera terrestre, appesa ad un pallone grande come un Boeing. Sfruttando un varco interstellare che punta oltre la nostra galassia, i rilevatori hanno scandito il cielo a caccia della radiazione. Componendo la minuziosa mappa che ha permesso di svelare la geometria dell'universo e di indicare quanta massa ed energia contiene.

Ma, come spesso accade nella scienza, la scoperta ha portato con sé dei nuovi interrogativi. "Dimostrando che la geometria dell'universo è euclidea," dice ancora de Bernardis, "abbiamo misurato quanta massa ed energia sono presenti in totale nell'universo. Sappiamo che la materia visibile (in forma di stelle, galassie etc.) rende conto di meno del 5% del totale. Poi, c'è la cosiddetta "materia oscura", di cui si sa pochissimo, ma che secondo altre osservazioni spiega solo un altro 30 per cento. Rimane un 65 per cento che nessuno ha idea di cosa sia. Una "energia oscura" di cui non sappiamo nulla. Adesso però siamo sicuri che esiste."

Quanto lontano si può arrivare a guardare nella profondità dell'universo? Questa è forse una delle domande più affascinanti che si affacciano alla mente quando contempliamo il cielo stellato. Ma guardare lontano, in cosmologia, significa anche guardare indietro nel tempo perché la luce può impiegare anche moltissimi anni per giungere fino a noi attraverso la profondità dell'universo.

La luce catturata da Boomerang è la più antica che si possa vedere. Risale addirittura ad appena 300.000 anni dopo il Big Bang, un tempo antichissimo se pensiamo che oggi l'universo ha oltre 10 miliardi di anni di vita.

Boomerang non ha puntato alla luce di una stella della Via Lattea o ad una galassia lontana, ma ha guardato molto oltre. Ha catturato la radiazione luminosa che era presente nell'universo ben prima della formazione delle stelle e delle galassie e che ancora oggi permea il cosmo come un preziosissimo "fossile" di quell'epoca lontana. È la cosiddetta "radiazione cosmica di fondo'' (indicata con la sigla CMB, Cosmic Microwave Background, in inglese). Questa radiazione è un tipo di luce che non è visibile ad occhio nudo perché ha una frequenza molto bassa (si tratta di microonde), per cui ha bisogno di particolari strumenti per essere rivelata.

La radiazione cosmica di fondo costituisce un "fossile'' preziosissimo dell'universo primordiale perché ci giunge inalterata dal momento in cui nell'universo, circa 300.000 anni dopo il Big Bang, essa ha smesso di interagire con la materia circostante. Così è possibile per noi oggi avere una immagine del cielo di quell'epoca lontanissima, dopo oltre 10 miliardi di anni.

La prima "foto'' della radiazione cosmica di fondo risale al 1992 ed è dovuta al satellite americano COBE. Come si può vedere dalla figura 1, questa radiazione non è omogenea, ma presenta delle differenze di temperatura rappresentate dai diversi colori. Il rosso indica le zone più calde e dense. Il blu quelle più fredde e rarefatte.
Queste piccole disomogeneità vengono chiamate fluttuazioni primordiali e, grazie alla forza di attrazione gravitazionale, si sono evolute nel corso della vita dell'universo, fino a dare origine alle strutture che osserviamo oggi: le stelle e le galassie.

Figura 1: Radiazione cosmica di fondo (CMB) ripresa da COBE

Figura 2

La struttura geometrica e il contenuto di materia dell'universo sono due quantità intimamente legate, grazie alla teoria della relatività generale. La densità di materia dell'universo, infatti, può incurvare lo spazio-tempo, determinando una geometria "sferica'' oppure "iperbolica''. Solo se la quantità totale di materia è uguale ad un certa quantità critica , allora la geometria globale dell'universo è piatta . In questo caso, la struttura dello spazio su grande scala è la stessa che noi osserviamo nella nostra esperienza quotidiana, quella della geometria euclidea.

Secondo i dati di Boomerang la densità di materia del nostro universo è uguale a quella critica. Questo ha due implicazioni fondamentali:

1) la geometria dell'universo è euclidea (cioè quella 'standard') anche su grande scala

2) gran parte della materia presente nel nostro universo è ancora sconosciuta

La quantità di materia luminosa nell'universo - quella materia cioè che possiamo osservare al telescopio grazie alla luce che emette - è molta di meno di quella misurata da Boomerang: appena l'1%. Con altre osservazioni sappiamo che un altro 35% di materia oscura è comunque presente nell'universo senza emettere luce, perché la si può rivelare indirettamente grazie ai suoi effetti gravitazionali nelle galassie. Tutto quel che resta è ancora ignoto.