LiteBIRD è un osservatorio spaziale della JAXA (Japan Aerospace eXploration Agency) progettato per rilevare l’impronta delle onde gravitazionali primordiali emesse durante l’inflazione cosmica, la rapidissima fase di espansione dell’Universo occorsa subito dopo il Big Bang.

Il progetto prevede il lancio del satellite nel 2028 e l’osservazione della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo per un periodo di tre anni. Per questo motivo LiteBIRD è considerato l’erede del satellite Planck dell’ESA (European Space Agency), attivo tra il 2009 e il 2013.

Il nostro Paese contribuisce a questa importante missione con l’Agenzia spaziale italiana, l’Istituto nazionale di fisica nucleare, l’Istituto nazionale di astrofisica e varie università, tra cui l’Università di Ferrara, con Paolo Natoli del Dipartimento di fisica e scienze della Terra in qualità di Chair dello Steering Committee europeo di LiteBIRD.

The Moonwalkers gli ha chiesto come questa missione potrà aiutarci a comprendere l’origine dell’Universo in cui viviamo.

Partiamo dall’inizio. Perché è importante rilevare la radiazione cosmica di fondo?

La radiazione cosmica di fondo è la luce proveniente dal Big Bang e che permea l’Universo. La radiazione è stata in stretta interazione con la materia per i primi 380.000 anni di vita dell’Universo, poi, a seguito della formazione degli atomi, si è disaccoppiata, separata dalla materia e ha continuato a viaggiare liberamente fino a oggi. Quindi la radiazione cosmica di fondo ci consente di apprezzare l’immagine dell’Universo nel suo primo periodo di vita.

In che modo, quindi, LiteBIRD potrà spiegare l’origine dell’Universo?

La radiazione cosmica di fondo presenta delle piccole increspature nella sua temperatura al variare della direzione da cui ci proviene. Queste fluttuazioni, dette anisotropie, sono i “semi” da cui si è evoluta la struttura su grande scala (gli ammassi di galassie e le galassie stesse) che, per  esempio, osserverà il satellite Euclid. Le anisotropie hanno una caratteristica: sono debolmente polarizzate. Lo studio di questa polarizzazione permette di distinguere tra fluttuazioni di tipo “scalare”, che formano strutture cosmiche, e fluttuazioni di tipo “tensoriale”, che sono in realtà onde gravitazionali primordiali. Dal confronto dell’ampiezza di questi due tipi di fluttuazione, entrambe generate durante l’inflazione, riusciremo a capire a quali scale di energie essa si è accesa e, quindi, a comprendere meglio la componente energetica che ha dominato il primo Universo.

Questo può significare capire la causa scatenante il Big Bang?

In realtà, il fatto che il Big Bang abbia avuto una causa è più un nostro modo di pensare che un fatto scientifico. Un fisico lo vede come una condizione iniziale; infatti, così come ha creato lo Spazio, il Big Bang ha creato il tempo e quindi non è necessario metterlo in rapporto causale con ciò che avveniva prima. Non sappiamo con precisione perché l’inflation si sia accesa, ma abbiamo evidenza che sia stato un processo con un inizio e una fine. È ragionevole pensare che nella fase di inflazione e, soprattutto, di pre-inflazione la fisica fosse diversa da come la conosciamo oggi e che fosse una fisica in cui la gravità aveva una natura quantistica a causa delle energie elevate.

Come può questo contributo cambiare la nostra comprensione dello Spazio?

L’evoluzione cosmologica del nostro Universo è di tipo gravitazionale e, a sua volta, la gravità è governata dall’energia. Le forme di energia influenzano i campi gravitazionali, ovvero masse di energia che curvano lo spazio-tempo, e la gravità non è nient’altro che la manifestazione della curvatura di questo spazio-tempo. Riuscire a capire quali forme di energia dominano l’Universo nelle varie epoche significa comprendere quali sono questi campi di energia che sono rilevanti per la fisica.

Parlando di curvatura spazio-temporale, il pensiero va ai wormhole del film Interstellar.

La fisica di Interstellar è una fisica estremamente credibile. Non a caso il consulente scientifico della missione era Kip Thorne, vincitore del Premio Nobel per la scoperta delle onde gravitazionali e autore del libro “The physics of Interstellar”. I black hole supermassivi esistono e la fisica descritta nel loro intorno è realistica, ma ciò non significa che davvero esistano i wormhole. Quindi, c’è una solida architettura fisica di base, ma alla fine l’impianto narrativo prende il predominio.

Qual è il coinvolgimento dell’Università di Ferrara nella missione LiteBIRD?

L’Università di Ferrara si occupa dell’analisi dei dati e dell’interpretazione modellistica, ovvero il confronto fra dati e osservazioni: i dati servono per fare verifiche sui modelli e, nel caso risultassero ben verificati, a misurarne i parametri caratteristici. Quindi, nello specifico, ci occupiamo di riduzione dati a partire da quelli di volo, un’analisi molto vicina allo strumento, fino ad arrivare a quelli relativi ai vincoli sulla modellistica teorica.

In quale campo LiteBIRD apporterà notevoli vantaggi a differenza della missione Planck?

La missione Planck, un progetto partito quasi trent’anni fa, ha rilevato molto bene le fluttuazioni di temperatura nel fondo cosmico, ma ha solamente intuito la presenza di una debole polarizzazione nella radiazione. Lo scopo principale di LiteBIRD sarà quindi misurare questi particolari modi di polarizzazione che si chiamano modi B, associati alle onde gravitazionali primordiali; rilevando la loro esistenza avremmo una prova del fatto che l’inflazione cosmica si è accesa davvero. Con LiteBIRD si potrà andare più indietro nel tempo.

Quali sono gli sviluppi di LiteBIRD in termini di innovazione tecnologica?

LiteBIRD è un satellite piccolo, ma molto  sensibile. Infatti, mentre Planck aveva settanta rilevatori a bordo, LiteBIRD ne avrà circa 5.000 divisi tra tre piccoli telescopi, il più grande dei quali avrà un diametro di soli quaranta centimetri. LiteBIRD sarà notevolmente più sensibile di Planck, ma soprattutto possiederà una maggiore capacità di minimizzare gli effetti sistematici di origine strumentale e astrofisica che rappresentano un problema nella misura del debole segnale atteso dai modi B. Altro dettaglio non trascurabile sono i costi: con i fondi spesi all’epoca per il lancio di Planck si potrebbe dare vita oggi ad una missione molto più grande di LiteBIRD.

Per quale motivo il satellite verrà lanciato in posizione L2, ovvero a un milione e mezzo di chilometri dalla Terra?

La ragione della scelta è di convenienza osservativa. Il punto lagrangiano L2 è una particolare configurazione situata lungo la congiungente Terra-Sole nella direzione esterna al sistema solare. Questa posizione permette l’osservazione dello Spazio profondo minimizzando le sorgenti di disturbo locale quali Terra, Luna e Sole. Essendo un punto di osservazione privilegiato e ambito, le agenzie spaziali deorbitano i satelliti una volta che hanno terminato la loro fase operativa.

La durata della missione LiteBIRD è stimata in tre anni: un periodo apparentemente limitato.

La ragione dei tempi di vita limitati è che si tratta di una missione criogenica con strumentazioni che funzionano a bassissima temperatura. I detector presenti sul piano focale di LiteBIRD funzionano a cento millikelvin, cioè un decimo di grado sopra lo zero assoluto. Per poter raffreddare i detector a queste temperature è necessario costruire un sistema criogenico, ovvero un “frigorifero spaziale” che usa fluidi quali l’elio, in particolare sia elio 3 che elio 4. Una volta esaurito il fluido non è più possibile osservare. Quindi, la durata di questo tipo di missioni dipende dalla quantità di fluido criogenico immagazzinato a bordo.

Dunque, questo è un periodo sufficiente per raccogliere i dati necessari ai fini della missione?

La missione può durare alcuni anni, ma tre anni è un termine ragionevole. In realtà, i dati che riusciamo a raccogliere in tre o, auspicabilmente, più anni di attività sono molti più di quelli che riusciamo ad analizzare in tempo reale. La fase di analisi si protrae per alcuni anni per via della quantità e della sofisticazione dei dati che richiedono tecniche estremamente accurate di analisi. Per esempio, Planck è durato quattro anni ed è stato spento nel 2013, ma i dati finali sono stati pubblicati nel 2018.

Un ultimo messaggio rivolto ai lettori di The Moonwalkers.

Non c’è dubbio che lanciare missioni di questo genere paghi. Che cosa andremo a trovare, quale tipo di fisica ci sia, nessuno lo sa, ma già il fatto di avere un canale di osservazione di effetti che sono una dozzina di ordini di grandezza superiori a quello che si può ottenere con gli esperimenti a Terra è una cosa formidabile. Quindici anni fa una prospettiva del genere sarebbe stata un sogno proibito. Il contributo della cosmologia alla fisica moderna è che ci ha messo davanti a cose che non immaginavamo neanche. Non sappiamo perché il mondo sia fatto così, ma sembra essere molto più ricco e complesso di quello ipotizzato. Quindi le cose da scoprire non mancano, le sorprese non mancano. A Ferrara stiamo lavorando attivamente per questo, per cercare di imparare di più sulle origini del nostro mondo.