Cosmic Microwave Background

Il fondo cosmico a microonde (CMB) è la radiazione termica residua dell'epoca della ricombinazione, 380.000 anni dopo il Big Bang, quando l'universo si raffreddò al di sotto di circa 3.000 kelvin e i protoni catturarono gli elettroni formando per la prima volta idrogeno neutro. In quel momento l'universo divenne trasparente e i fotoni che erano strettamente accoppiati al plasma barioni-fotoni si propagarono liberamente nello spazio. Oggi questi fotoni giungono da ogni direzione come uno spettro di corpo nero quasi perfetto a 2,725 kelvin, con fluttuazioni di temperatura di soli circa 30 microkelvin, pari a una parte su 100.000. Lo spettro di potenza di queste fluttuazioni, rappresentato come varianza D_l in microkelvin al quadrato in funzione del momento di multipolo l (dove l è approssimativamente uguale a 180 gradi diviso per la scala angolare), mostra una serie di picchi acustici causati dalle onde sonore che si propagavano nel plasma caldo prima che la ricombinazione le congelasse.

Le posizioni e le ampiezze dei picchi acustici codificano parametri cosmologici precisi. Il primo picco a l circa 220, corrispondente a una scala angolare di circa 1 grado, conferma che l'universo ha una geometria piatta: se lo spazio fosse a curvatura positiva, il picco si sposterebbe verso valori di l più bassi; se fosse a curvatura negativa, verso valori più alti. Il rapporto tra il primo e il secondo picco vincola la densità barionica al 4,9% della densità critica, poiché i barioni aggiungono inerzia al plasma, sopprimendo i picchi di ordine dispari rispetto a quelli di ordine pari. Il rapporto tra il secondo e il terzo picco fissa la frazione di materia oscura al 26,8%, poiché la materia oscura non partecipa alle oscillazioni acustiche ma approfondisce le buche di potenziale che le alimentano. Oltre l circa 1000, lo smorzamento di Silk (la diffusione dei fotoni che cancella le fluttuazioni su piccola scala) causa una soppressione esponenziale. Queste misurazioni, pubblicate dalla Collaborazione Planck nel 2018 (arXiv:1807.06209), vincolano la costante di Hubble a 67,4 km/s/Mpc e l'età dell'universo a 13,8 miliardi di anni.