La cosmologia è volta alla comprensione globale dell’universo: conoscerne le proprietà geometriche, i mattoni fondamentali che ne compongono la densità di materia ed energia e le proprietà statistiche delle loro distribuzioni, la storia evolutiva sin dalle fasi primordiali di espansione inflazionaria, circa 13.7 miliardi di anni fa, e il suo destino. Tali aspetti sono studiati con i diversi osservabili astronomici: stelle, galassie, ammassi di galassie, nonchè componenti ed emissioni diffuse. Il fondo cosmico a microonde, predetto dalla teoria del big-bang e residuo della fase calda e densa dell’universo primordiale,  è una radiazione diffusa quasi isotropa, raffreddatasi a 2.725 gradi Kelvin a seguito dell’espansione cosmica. Ci porta informazione diretta sull’universo e la fisica fondamentale a soli 380000 anni dal big bang, epoca denominata di disaccoppiamento materia-radiazione, dopo la quale ha viaggiato sostanzialmente indisturbata fino a noi, e, indirettamente, fino ai suoi primissimi istanti. Tutte le sue proprietà sono oggetto di studi presso IASF Bologna.  Lo spettro  è legato ai processi termodinamici nel plasma cosmico; dalle anisotropie in temperatura e polarizzazione si ricavano parametri, geometria e proprietà statistiche dell’universo; le anisotropie secondarie sono testimoni della formazione delle strutture cosmiche.

Cosmic microwave background

Lo studio accurato e completo del fondo cosmico a microonde richiede progressi ulteriori. Sullo spettro sostanzialmente di corpo nero della radiazione dovrebbero essere impresse piccolissime distorsioni causate da processi fisici e astrofisici a diverse epoche cosmiche, oggetto di studi di implicazioni scientifiche e di fattibilità di future missioni.

Grande impegno  è rivolto alle anisotropie in polarizzazione del fondo cosmico e in particolare alla ricerca del modo primordiale B, associato al campo stocastico di onde gravitazionali, lo smoking gun of inflation: identificarlo significa capire a quale scala di energia avvenne l’inflazione cosmica.

IASF Bologna ha contribuito, in particolare con studi sul foreground e teorici, alla proposta per una missione, denominata COrE (Cosmic Origins Explorer), per la Cosmic Vision dell’ESA, ed è  impegnato, anche sul fronte delle nuove tecnologie, a perfezionare queste ricerche verso un progetto in risposta alle future opportunità dell’ESA.

Analisi statistiche in cosmologia

L’analisi statistica è uno strumento fondamentale per la Cosmologia, soprattutto oggi grazie alla grande quantità di dati che i satelliti ci forniscono.

Due sono i metodi di approccio all’analisi statistica, quello Frequentista e quello Bayesiano.
Il primo sottopone un particolare modello cosmologico alla prova dei dati osservati e calcola così la probabilità della sua validità.
Il secondo invece parte dalle osservazioni ed elabora il modello che meglio descrive i dati osservati.
Le analisi comportano pesanti calcoli per i quali si fa uso di supercalcolatori.
Esempio di come vengono uniti diversi data set cosmologici per vincolare, con approccio Bayesiano, due parametri liberi del modello cosmologico w (equazione di stato della dark energy) = p/rho e Omega_m (analogo adimensionale della densità di energia per la materia = barionica e dark matter).

Algoritmi di cosmologia osservativa

“La cosmologia studia la nascita e l’evoluzione dell’universo”: questa definizione fa pensare alternativamente a Star Trek o alla Critica della Ragion Pura. In realtà non è così, molte volte  la cosmologia è solo una questione di forza lavoro ed il lavoro di analisi ed interpretazione è molto più tecnico che poetico.

La gran parte dell’analisi dei dati cosmologici si può immaginare come un enorme esercizio di compressione senza perdite. Un esempio: la misura del fondo cosmico nelle microonde; il satellite Planck produrrà a fine carriera, 50 terabyte di dati, attraverso l’analisi dati;  questa mole di informazioni  viene compressa in circa 12 numeri (e.g. età, budget energetico dell’universo, curvatura, quantita’ di dark matter e dark energy) che descrivono parametricamente l’universo e che possono confermare o far declinare le teorie cosmologiche correnti.

Chiaramente in questo processo diviene strategico utilizzare le più innovative facilities di calcolo parallelo.

Il nostro istituto accede direttamente e in modo privilegiato al consorzio interuniversitario italiano CINECA e alle risorse del supercomputing californiano NERSC.

Astrofisica radio-mm-IR

Nel nostro universo operano meccanismi astrofisici diversi che predominano a lunghezze d’onda specifiche. L’analisi delle radiazioni dal radio all’infrarosso ci consente di capire molti fenomeni astrofisici operanti nelle galassie.

Gli elettroni che spiraleggiano nei campi magnetici galattici emettono radiazione di sincrotrone, che è  rilevante dal radio al millimetrico, dove  è pure importante l’emissione (detta di free-free) dovuta alla presenza di elettroni e atomi ionizzati, diffusi o in regioni localizzate (HII).

Dal millimetrico all’infrarosso emerge invece l’emissione termica delle polveri del mezzo interstellare, mentre grani di polveri rotanti contribuiscono al segnale millimetrico, ben evidenziata dal satellite Planck, che inoltre ha scoperto migliaia di regioni di polveri molto fredde, circa 10 gradi Kelvin, nella nostra galassia.

Stelle in fase evolutiva iniziale e finale, con i loro inviluppi di gas e polveri, emettono significativamente in queste bande. Inoltre,  è possibile che dal centro delle galassie emerga una radiazione, prodotta dalla fantomatica materia oscura.

Le galassie si aggregano in ammassi di galassie il cui spazio intergalattico è riempito da gas caldo anche a milioni di gradi che, oltre ad emettere significativamente fotoni X, lascia impronte caratteristiche nel fondo cosmico a microonde.

Dark Matter,  Dark Energy e Inflazione

L’Universo e’ composto per la maggior parte da energia e materia non luminosa. Solo il 4% della sua energia e’ composto da atomi, dalla materia visibile che conosciamo. Del rimanente 96%, piu’ del 20% e’ occupato dalla materia oscura – che includerebbe anche la frazione di energia associata a neutrini massivi-, che gioca un ruolo fondamentale nella formazione dellestrutture cosmiche ed e’ richiesta da osservazioni delle galassie sino alle scale piu’ grandi.

L’energia oscura detiene “solo” circa il 70% di quella totale, e’ responsabile di una recente accelerazione nell’espansione dell’Universo la cui scoperta nel 1998 ha valso il premio Nobel per la Fisica 2011 a tre cacciatori di Supernovae Ia. Sia la materia che l’energia oscura non hanno spiegazione per il modello standard della fisica delle particelle, ma Planck ed EUCLID caratterizzeranno al massimo le loro proprieta’ macroscopiche, facendo fare un enorme balzo in avanti alle nostre conoscenze.

L’ampiezza delle anisotropie del fondo cosmico a microonde, l’evidenza che il nostro Universo e’ di tipo euclideo hanno messo in crisi da diverse decine di anni il modello di Big Bang caldo, per cui l’espansione e’ sempre stata di tipo decelerata sin dai primi istanti. Una fase primordiale di espansione accellerata – come quella attuale legata all’energia oscura ma avvenuta a scale di energia decine di ordini di grandezza piu’ grandi -, detta inflazione, sarebbe la fase non-termica e quantistica da cui il nostro Universo sarebbe emerso.
Questa fase di inflazione spiegherebbe naturalmente le disomogeneita’ iniziali da cui sono nate le strutture cosmiche attraverso il collasso gravitazionale. La scala di energia a cui sarebbe avvenuta l’inflazione potrebbe essere rivelata attraverso la polarizzazione magnetica o B delle anisotropie di CMB, uno degli obiettivi scientifici di Planck e CoRE.