0336. Si può rilevare un effetto doppler su un fondo di radiazione cosmica?

Poiché il fondo della radiazione cosmica nella regione delle microonde CMB è uniformemente distribuito e si muove a velocità elevate (rispetto ad un qualsiasi punto) si potrebbe rilevare un effetto doppler rispetto ad esso ed ottenere così dei 'punti di riferimento' e quindi una violazione del principio di relatività ? Dov'è l'errore nel mio ragionamento? (Marino Gazzola)

Noi ci muoviamo davvero a velocità elevata (circa 300 km/s) rispetto alla materia lontanissima da cui proviene il fondo cosmico [288]. Questa materia è distribuita su una superficie sferica con raggio di 14 miliardi di anni luce: è quindi una quantità enorme di materia, grande più o meno come la superficie dell' intero universo osservabile [152]. Ed in effetti vediamo in modo nettissimo l'effetto doppler conseguente al nostro movimento rispetto alla radiazione di microonde del fondo cosmico (cioè vediamo radiazione a frequenza leggermente più alta della media provenire dalla direzione verso cui ci muoviamo, e radiazione a frequenza leggermente più bassa provenire dalla direzione opposta). Si tratta di variazioni di circa 1 parte su 1000, ma comunque molto chiare data l'estrema sensibilità degli strumenti che studiano il fondo a microonde.

Le immagini seguenti sono estratte dal sito: http://aether.lbl.gov/www/projects/cobe

Il fondo a microonde della radiazione cosmica CMB e' sostanzialmente isotropo su tutto il cielo, con una temperatura della radiazione di corpo nero di 2.728 K

Se si rimuove la componente uniforme e si aumenta molto il contrasto dell' immagine, si ottiene la figura di centro, nella quale sono evidenti una fascia centrale dovuta all'emissione della nostra galassia, ed una anisotropia di dipolo ("caldo" in alto a destra e "freddo" nella direzione opposta, in basso a sinistra) dovuta al moto della Terra rispetto alla materia lontana. L'anisotropia di dipolo ha una ampiezza di circa 3 millesimi di grado K, cioè di un millesimo della temperatura del CMB. Questo significa che ci stiamo muovendo rispetto al CMB ad una velocità che è circa 1/1000 della velocità della luce.

Rimuovendo l’andamento dipolare e aumentando ancora il contrasto si scopre l’esistenza di piccole ulteriori anisotropie, a livello di 1/100000 della temperatura del CMB. Sono i "semi" della formazione delle strutture del nostro Universo: galassie e ammassi di galassie.

Questo fatto, chiamato dagli specialisti "anisotropia di dipolo del fondo a microonde", non viola in nessun modo il principio di relatività  . Infatti potremmo descrivere gli stessi dati sperimentali anche immaginando di essere noi fermi, mentre la materia lontana che emette la CMB si muove rigidamente in direzione opposta. Riteniamo di essere comunque noi a muoverci, semplicemente perché è difficile capire come si potrebbe generare il movimento coerente di una superficie sferica di universo così enorme, lasciando ferma la terra, che se ne trova al centro. E' invece più semplice e plausibile pensare che la terra si muova a causa dell'attrazione gravitazionale del Sole, che a sua volta si muove orbitando intorno al centro della nostra galassia a causa della sua attrazione. La galassia, a sua volta, si muove insieme a tutto il gruppo locale di galassie verso l'ammasso della Vergine, ancora come conseguenza dell'attrazione gravitazionale.

L’ammasso di galassie della costellazione della Vergine nella direzione del quale la Terra si muove alla elevata a velocità di circa 300 km/s (cioè ad un millesimo delle velocità delle luce nel vuoto).

La somma di tutte queste attrazioni gravitazionali genera il moto risultante della Terra rispetto alla materia lontana.

Paolo De Bernardis - Fisico