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BICEP

esperimento per la misura della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo
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Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP, bicipite in inglese) è un esperimento di astrofisica e cosmologia il cui scopo è la misura della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. In particolare, l'esperimento scientifico punta a scoprire e misurare i modi B della radiazione di fondo, che si suppone abbiano avuto origine durante l'epoca dell'inflazione cosmica verificatasi poco dopo il Big Bang.

BICEP / Keck Array
StatoAntartide (bandiera) Antartide[1]
LocalizzazionePolo sud
Coordinate89°59′59″S 0°00′00″E
Caratteristiche tecniche
TipoRadiotelescopio
Lunghezza d'onda2 mm (100 GHz)
3 mm (150 GHz)
Sito ufficiale

BICEP ha conosciuto tre generazioni di strumenti: BICEP1, BICEP2, e Keck Array; inoltre nella stagione estiva australe 2014-15 avranno inizio le misurazioni con la nuova strumentazione BICEP3.

Scopo

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Lo scopo dell'esperimento BICEP è la misura della polarizzazione della radiazione elettromagnetica di cui è costituito il fondo cosmico a microonde[2]. Nello specifico, intende misurare i modi B (la componente rotazionale) della polarizzazione del fondo cosmico[3].

La rilevazione dei modi B permetterebbe di verificare l'esistenza di una radiazione gravitazionale di fondo, un residuo lasciato dall'inflazione cosmica e originato da vari fattori di natura casuale[4]. Ne conseguirebbe una prova sia dell'esistenza delle onde gravitazionali primordiali (dopo l'osservazione diretta da parte della collaborazione LIGO-VIRGO di quelle generate dalle coalescenze di buchi neri), sia dell'ipotesi inflazionaria. Inoltre, la rilevazione di tali modi di oscillazione permetterebbe di osservare l'evoluzione dell'universo in un'epoca molto vicina al Big Bang, in una scala temporale valutata tra i 10−36 e i 10−32 secondi dopo l'evento iniziale[4], e alla relativa scala di alte energie. L'osservazione del fondo cosmico a microonde, originatosi circa 380000 anni dopo il Big Bang, permette di studiare tramite la radiazione elettromagnetica lo stato dell'Universo in quel particolare periodo. Nell'epoca precedente non era presente radiazione elettromagnetica libera, quindi una possibile alternativa per studiare l'Universo nello stadio iniziale sarebbe l'utilizzo delle onde gravitazionali. Con BICEP non sono state ancora ottenute misure dirette delle onde gravitazionali, ma solo prove indirette: la misura effettuata da BICEP indica un'interazione tra le onde gravitazionali e la radiazione cosmica di fondo. Nel marzo 2014 è stato annunciato il risultato della collaborazione BICEP2 che mostrerebbe le prime evidenze sperimentali dirette dell'inflazione cosmica[5]. Il risultato sarà da verificare con ulteriori esperimenti che aiuteranno a scegliere il modello teorico migliore per descrivere l'evoluzione dell'Universo[6].

Strumentazione

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BICEP[7] opera nell'emisfero australe, in Antartide, dalla base permanente Amundsen–Scott del Polo sud[2].

Principali caratteristiche della strumentazione BICEP
Strumento Inizio Fine Frequenza Num. sensori Fonte
BICEP 2006 2008 100 GHz 98 [2][3]
150 GHz 98 [2]
BICEP2 2010 2012 150 GHz 512 [8]
Keck Array 2011 — 150 GHz 2560 (2011-13)
1536 (2013-)		 [8]

[9]

2013 — 100 GHz [9]
BICEP3 2014 — 100 GHz 2560 [10]

BICEP1

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Il primo strumento BICEP ha osservato il cielo nello spettro elettromagnetico compreso tra 100 e 150 GHz, rispettivamente con una risoluzione angolare di 1,0 e 0,7 gradi. Disponeva di un array di 98 sensori, sensibili alla polarizzazione del fondo cosmico a microonde[2]. La strumentazione di BICEP venne realizzata come prototipo in vista di ulteriori miglioramenti. Iniziò l'osservazione nel gennaio 2006[3], le misure sono proseguite fino alla fine del 2008[2].

 
A destra BICEP2, a sinistra il South Pole Telescope

BICEP2

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La seconda generazione di strumenti è stata BICEP2[11], che ha operato dal 2010 fino al 2012. Tra i miglioramenti attuati, si è riuscito a ottenere una velocità di mappatura 10 volte superiore rispetto a BICEP1, aumentando il numero di sensori fino a 512. I dati raccolti hanno permesso di giungere nel 2014 a una prima misura dei modi B della radiazione cosmica di fondo, una possibile prova dell'esistenza delle onde gravitazionali primordiali e dell'ipotesi della teoria dell'universo inflazionario.[12][13]

Keck Array

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Il Keck Array consiste di cinque polarimetri. I primi tre iniziarono le loro osservazioni nell'estate australe 2010-11; altri due iniziarono le loro osservazioni nel 2012. Tutti e cinque hanno osservato il cielo alla frequenza di 150 GHz fino 2013, quando due di essi furono convertiti per l'osservazione a 100 GHz[9]. Ciascun polarimetro consiste di un telescopio rifrattore (per minimizzare gli errori sistematici), che sono raffreddati a 4 K da un refrigeratore pulse tube, e di un array di piani focali di 512 microcalorimetri a transizione di fase raffreddati a 250 mK, per un totale di 2560 sensori[8].

Il progetto è stato finanziato con una donazione di 2,3 milioni di dollari statunitensi dalla W. M. Keck Foundation, a cui si aggiunge il sostegno finanziario della National Science Foundation, della Gordon and Betty Moore Foundation, della James and Nelly Kilroy Foundation e della Barzan Foundation[3].

BICEP3

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BICEP3 consisterà di 2560 sensori per osservare la radiazione alla frequenza di 100 GHz. Sarà messo in opera nella stagione estiva australe del 2014-15.[10]

BICEP Array

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Il Keck Array è stato sostituito dal BICEP Array, che consiste in quattro telescopi simili a BICEP3, per un totale di circa 32 000 sensori[14], su una montatura comune, operanti a 30/40, 95, 150 e 220/270 GHz.[15] L'installazione è iniziata tra le stagioni osservative 2017 e 2018. L'installazione completa è prevista per la stagione osservativa del 2020.[16][17]

Secondo il sito web del progetto: "BICEP Array misurerà il cielo polarizzato in cinque bande di frequenza per raggiungere una sensibilità finale all'ampiezza delle IGW [onde gravitazionali inflazionarie] di σ(r) < 0,005" e "Questa misura sarà un test definitivo dei modelli di slow-roll dell'inflazione, che generalmente prevedono un segnale di onde gravitazionali superiore a circa 0,01."[16]

Osservazioni

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Piano focale del radiotelescopio usato dall'esperimento BICEP2 per rivelare indirettamente le onde gravitazionali dell'universo inflazionario[18]

I tre esperimenti hanno compiuto misurazioni sulla stessa area del cielo, intorno al polo sud celeste[2][8].

Risultati

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Nel mese di marzo 2014, è stato annunciato che l'esperimento BICEP2 ha rilevato tracce dei modi-B lasciati dalle onde gravitazionali nella radiazione cosmica di fondo dell'Universo primordiale dopo il Big Bang. L'annuncio ufficiale è stato dato il 17 marzo 2014 in una conferenza stampa tenuta presso lo Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics[19]. La misura potrebbe essere una prova dell'inflazione cosmica, la repentina espansione dell'Universo che si sarebbe verificata circa 10−35 secondi dopo il Big Bang.[6] La polarizzazione della radiazione cosmica di fondo dovrebbe essersi generata tramite l'interazione tra le onde gravitazionali e la radiazione a microonde stessa. Questa misura sarebbe quindi un'ulteriore prova indiretta dell'esistenza delle onde gravitazionali. I dati analizzati da BICEP2 hanno prodotto una misura del rapporto   tra le fluttuazioni tensoriali (dei “modi B” primordiali, dovute alle onde gravitazionali) e le fluttuazioni scalari (in densità).[6][20] Il rapporto è stato misurato con un'altissima precisione (7 sigma, superiore al limite di 5 sigma), il valore trovato[12][13] corrisponde a r = 0,2+0,07
−0,05, ben superiore rispetto al limite superiore r = 0,1, suggerito dagli esperimenti precedenti WMAP e Planck.[6]

L'articolo scientifico[21] pubblicato il 19 giugno 2014 contiene una nota aggiunta in appendice in cui si discute della possibile influenza che la polvere cosmica abbia avuto sulla misura. Il 19 settembre 2014 la collaborazione Planck ha pubblicato i risultati[22] della misura della polarizzazione causata dalla polvere galattica, ridimensionando l'importanza dei risultati della collaborazione BICEP: l'effetto causato dalla polvere galattica è della stessa dimensione della polarizzazione misurata da BICEP2.

Collaborazioni

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Le istituzioni scientifiche coinvolte nei vari strumenti sono: il Caltech, l'Università di Cardiff, l'Università di Chicago, l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, il Jet Propulsion Laboratory, l'Università del Minnesota e l'Università di Stanford (per tutti gli esperimenti), l'Università della California, San Diego (BICEP1 e 2), il National Institute of Standards and Technology (NIST) e l'Università della Columbia Britannica (BICEP2 e Keck Array), la Case Western Reserve University (Keck Array) e l'Università di Toronto (BICEP2, Keck Array, BICEP3)[3] [23] [24] [25] [26]. Il progetto Keck Array è stato guidato da Andrew Lange[3].

Note

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  1. ^ L'Antartide non appartiene ad alcuno stato, il suo utilizzo internazionale è regolato dal Trattato Antartico per soli scopi pacifici.
  2. ^ a b c d e f g BICEP: Robinson Gravitational Wave Background Telescope, su bicep.caltech.edu, Caltech. URL consultato il 13 marzo 2014 (archiviato dall'url originale il 18 marzo 2014).
  3. ^ a b c d e f W.M. Keck Foundation Gift to Enable Caltech and JPL Scientists to Research the Universe's Violent Origin, su media.caltech.edu, Caltech (archiviato dall'url originale il 2 marzo 2012).
  4. ^ a b Stochastic Gravitational Waves, su ligo.org, LIGO. URL consultato il 17 marzo 2014.
  5. ^ First Direct Evidence of Cosmic Inflation, su cfa.harvard.edu. URL consultato il 18 marzo 2014.
  6. ^ a b c d Media INAF: Inflazione, c'è la prova
  7. ^ BICEP web site [collegamento interrotto], su cfa.harvard.edu.
  8. ^ a b c d Instrument - Keck Array South Pole, su cfa.harvard.edu, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. URL consultato il 14 marzo 2014 (archiviato dall'url originale l'11 marzo 2014).
  9. ^ a b c Keck Array South Pole, su cfa.harvard.edu, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. URL consultato il 14 marzo 2014.
  10. ^ a b BICEP3, su cfa.harvard.edu, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. URL consultato il 14 marzo 2014.
  11. ^ The BICEP2 CMB polarization experiment, vol. 7741, Proceedings of SPIE, 2010, p. 11, DOI:10.1117/12.857864.
  12. ^ a b BICEP2 I: Detection of B-mode Polarization at degree angular scales (PDF), Preprint TBD Journal, 2014 (archiviato dall'url originale il 17 marzo 2014).
  13. ^ a b BICEP2 II: Experiment and Three-Year data set (PDF), Draft Version, 2014 (archiviato dall'url originale il 17 marzo 2014).
  14. ^ (EN) BICEP Array: 150 GHz detector module development, su arxiv.org, 29 novembre 2021. URL consultato l'8 gennaio 2024.
  15. ^ Alessandro Schillaci, Design and Performance of the First BICEP Array Receiver (PDF), in Journal of Low Temperature Physics, vol. 199, 3–4, 17 febbraio 2020, pp. 976–984, Bibcode:2020JLTP..199..976S, DOI:10.1007/s10909-020-02394-6, arXiv:2002.05228.
  16. ^ a b (EN) BICEP Array - Caltech Observational Cosmology, su cosmology.caltech.edu.
  17. ^ Mateo Rini, Hunting Season for Primordial Gravitational Waves, in APS Physics, vol. 13, 30 ottobre 2020, p. 164, DOI:10.1103/Physics.13.164. URL consultato il 10 novembre 2020.
  18. ^ NASA Technology Views Birth of the Universe
  19. ^ Gravitational waves: have US scientists heard echoes of the big bang?, The Guardian, 14 marzo 2014. URL consultato il 14 marzo 2014.
  20. ^ New Scientist: First glimpse of big bang ripples from universe's birth
  21. ^ (EN) P.A.R. Ade, et al. (BICEP2 Collaboration), Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2 (PDF), in Physical Review Letters, vol. 112, 19 giugno 2014, p. 241101, Bibcode:2014PhRvL.112x1101A, DOI:10.1103/PhysRevLett.112.241101, arXiv:1403.3985. URL consultato il 24 dicembre 2014.
  22. ^ (EN) Planck Collaboration Team, Planck intermediate results. XXX. The angular power spectrum of polarized dust emission at intermediate and high Galactic latitudes, 19 settembre 2014, arXiv:1409.5738. URL consultato il 24 dicembre 2014.
  23. ^ BICEP1 Collaboration, su cfa.harvard.edu, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. URL consultato il 14 marzo 2014.
  24. ^ Collaboration - BICEP2 South Pole, su cfa.harvard.edu, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. URL consultato il 14 marzo 2014.
  25. ^ Collaboration - Keck Array South Pole, su cfa.harvard.edu, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. URL consultato il 14 marzo 2014.
  26. ^ BICEP3 Collaboration, su cfa.harvard.edu, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. URL consultato il 14 marzo 2014.

Voci correlate

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Altri progetti

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Collegamenti esterni

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