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Come la cosmologia divenne una scienza

La scoperta della radiazione cosmica di fondo ha consolidato la teoria del big bang e ha trasformato la cosmologia in una disciplina

di: Stephen Brush Le Scienze -290

L'universo ha avuto un inizio oppure è sempre esistito? Per molto tempo gli scienziati hanno ritenuto che questa domanda ricadesse al di fuori del loro campo di indagine, nell'ambito metafisico di cui si occupano filosofi e teologi. Solo verso la metà del nostro secolo fisici e astronomi hanno cominciato a sviluppare tecniche sperimentali abbastanza sensibili da consentire di affrontare questo problema. Ne sono emerse due teorie cosmologica e contrastanti. Una, la ormai popolare teoria del big bang ipotizza che l'universo si sia evoluto a partire da uno stato iniziale con densità e temperatura così elevate da permettere l'esistenza solo di radiazione e particelle elementari; la formazione di stelle e galassie sarebbe avvenuta successivamente, durante l'espansione e il raffreddamento dell'universo. Secondo il modello rivale, quello dello stato stazionario, l'universo sempre esistito; la dispersione della materia dovuta al moto di espansione che si osserva è compensata da continua creazione di nuova materia. La teoria del big bang ha avuto la meglio soprattutto perché è stata in grado di prevedere e interpretare l'esistenza della radiazione cosmica di fondo. Questa radiazione a microonde, considerata dai più come un residuo del big bang, pervade il cielo in tutte le direzioni. Furono Arno Penzias e Robert Wilson dei Bell Laboratories a scoprirla nel 1964-1965, mentre cercavano di eliminare il rumore a microonde della loro antenna per osservazioni radioastronomiche. Il modello dello stato stazionario non prevedeva alcuna radiazione di fondo e non era in grado di spiegarla in modo plausibile. Così, per la prima volta,2 ipotesi sull'origine dell'universo erano state sottoposte a una verifica empirica da cui una era uscita vincente. È raro che una teoria si trovi a essere convalidata o respinta sulla base di un solo esperimento; in questo caso, però, la reazione fu immediata e unanime. Nel giro di pochi hanno la maggior parte dei cosmologi aveva adottato la teoria del big bang oppure aveva cessato di pubblicare contenuti in questo campo. Grazie alla loro scoperta, Penzias e Wilson ottennero nel 1978 il premio Nobel per la fisica. Una novità si ebbe nell'aprile del 1992, quando la misurazione di minuscole anisotropie nella radiazione di fondo confermò un'altra previsione della teoria del big bang. Nessuno, tuttavia, avrebbe potuto apprezzare il significato del fondo cosmico a microonde senza il patrimonio di conoscenze che molti altri scienziati avevano contribuito ad accumulare nel corso del secolo. La storia di queste scoperte permette di fare alcune importanti considerazioni; ripercorrendola per vedere come l'individuazione della radiazione cosmica di fondo abbia influito sulla popolarità delle teorie cosmologica rivali potremo mettere a confronto di idee contrastanti sulla natura del progresso scientifico. La cosmologia del big bang cominciò a delinearsi negli anni 30, dopo che nell'imminente astronomo americano Edwin Hubble ebbe osservato che tutte le galassie sembrano allontanarsi l'una dall'altra e che le più distanti si allontanano a velocità maggiore. La scoperta di Hubble implica che l'universo sia in espansione in una sua conseguenza è che esso, in un momento definito il passato, doveva essere concentrato in un volume piccolissimo. Il fisico russo Aleksander A. Friedman e il sacerdote belga Georges Lemaitre utilizzarono entrambi la teoria generale della relatività di Einstein per descrivere in che modo potrebbe evolvere un universo in espansione. La fisica nucleare offrì gli strumenti necessari per mettere a punto modelli della sintesi degli elementi a partire da particelle fondamentali: strumenti preziosi non solo per George Gamow, paladino del big bang, e per i suoi colleghi Ralph A. Alpher e Robert Herman, ma anche per Fred Hoyle allora all'Università di Cambridge  - che sosteneva invece la teoria dello stato stazionario. Di importanza fondamentale che gli studi teorici furono i contributi dati all'inizio del secolo da Einstein e da Max Planck nel formulare la descrizione fisica dell'irraggiamento di corpo nero. Un corpo nero ideale  prende il nome dalla sua proprietà di assorbire tutta la radiazione incidente e rimetterla con una distribuzione spettrale estremamente caratteristica, spiegata teoricamente da Planck. Dato che nelle primissime fasi dell'universo, all'interno della <<palla di fuoco>> primordiale, l'energia e la materia sarebbero state in perfetto equilibrio termico, la prima radiazione liberata nel raffreddamento successivo all'esplosione avrebbe dovuto mostrare lo spettro caratteristico del corpo nero. Mancava ancora, però,1 calcolo preciso dell'energia che lo spettro di questione dovrebbe presentare oggi, ossia molti miliardi di anni dopo che la palla di fuoco ha iniziato a espandersi e a raffreddarsi. Quale potrebbe essere la temperatura di questa radiazione dello spazio? La risposta a questa domanda giunge solo dopo l'elaborazione di una teoria quantitativa dell'evoluzione dell'universo e subito dopo il big bang.  Gamow, un fisico di origine russa che aveva acquisito una certa fama con la descrizione del decadimento radioattivo, cominciò a elaborare una teoria di questo tipo. Negli anni 30 si trasferì negli Stati Uniti, dove svolse attività di insegnamento prima alla Giorgio Washington University e poi all'Università del Colorado, e iniziò a occuparsi degli aspetti astrofisici e cosmologici delle reazioni nucleari, in particolare nei meccanismi della nucleosintesi primordiale. Gamow cercò una risposta alle sue domande ai due estremi della scala cosmica. All'inizio degli anni 30 si era stabilito che le stelle sono prevalentemente composte da idrogeno ed elio. Era ragionevole supporre che il primo elemento formatosi fosse stato l'idrogeno, il cui nucleo contiene un solo protone, e che l'elio  -l'elemento successivo del sistema periodico, con un nucleo costituito da due protoni e neutroni - fosse stato il primo elemento <<pesante>> generato dalla fusione dell'idrogeno. Ma la fusione di protoni avviene solo in presenza di una forza che permetta di vincere l'enorme repulsione elettrostatica fra cariche dello stesso segno. Un simile processo richiede temperatura e una pressione tali che solo in un evento primordiale o dell'interno di una stella potrebbero sussistere le condizioni adatte. La teoria dominante riguardo alle reazioni nucleari nelle stelle,che rimane ancora oggi in gran parte valida, ben elaborata nel 1938 da Hans Bethe, fisico di origine tedesca che lavorava alla Cornell University. Bethe, che voleva descrivere il meccanismo che fa splendere il sole, ipotizzò che la fusione nucleare nell'interno di una stilla converta massa in energia. Specificamente, egli propose che in stelle come il sole possono avvenire in due reazioni di fusione: una che trasforma protoni in nuclei di elio e una che aggiunge protoni a nuclei di carbonio per formare elementi più pesanti. Ma da dove veniva il carbonio? La domanda lo trovò risposta fino agli anni 50, quando Hoyle o forse una reazione che, nelle particolari condizioni esistenti nel nucleo di una stella, può produrre carbonio a partire da tre nuclei di elio. Questa reazione e le altre necessarie per creare gli elementi più pesanti furono confermate sperimentalmente, per mezzo di un acceleratore di particelle ad alta energia, da William A. Fowler e dal suo gruppo del California Institute of Technology, con l'aiuto teorico di Hoyle e di E. E. Salpeter. Nel 1957 era ormai stato elaborato uno schema che spiegava in che modo gran parte degli elementi potrebbe essere stata sintetizzata nelle stelle a partire da idrogeno ed elio; autore di questa teoria erano Fowler, Hoyle e Margaret Burbidge del Caltech, insieme con Geoffrey Burbidge, che allora lavorava gli osservatori di Mount Wilson e Palomar. Un lavoro analogo fu eseguito indipendentemente da A. G. W. Cameron, allora all'Atomic Energy of Canada. Tuttavia l'abbondanza dell'elio nel cosmo rimaneva un mistero. Gamow aveva già formulato un audace ipotesi, che condusse infine alla soluzione dell'enigma dell'elio. Nella sua versione del big bang sosteneva che i diversi elementi chimici si sarebbero formati ancor prima che esistessero le stelle, all'interno di un gas di neutroni incredibilmente caldo intenso. Alcuni neutroni sarebbero decaduti in protoni ed elettroni, i <<mattoni>> dell'idrogeno. Nel 1948 Gamow affidò il compito di elaborare la teoria a Ralph Alpher della George Washington University, poi affiancato da Robert Herman dell'Applied Physics Laboratory della John Hpkins University. Fu Ralph Alpher andare alla sostanza ipotizzata da Gamow in nome di <<Ylem>>, da un termine greco che significa <<materia primordiale>>. Secondo la giuria di Gamow perfezionata da Alpher e Herman, i nuclei pesanti si formarono nella palla di fuoco primordiale quando quelli più piccoli, a partire dal idrogeno, iniziarono a crescere attraverso la cattura di neutroni. Il processo continuò finché si esaurì la disponibilità di elettroni liberi, la temperatura diminuì e le particelle si dispersero. Hoyle tentò di sminuire questa nuova rivale alla sua ipotesi dello stato stazionario chiamando la teoria del <<grande botto>> (big bang), ma il suo sarcasmo finì per ritorcersi contro di lui: la definizione era così azzeccata che fu adottata dagli stessi sostenitori della teoria. Alpher e Herman si resero ben presto conto che la radiazione che pervadeva il loro modello di universo avrebbe conservato la raffreddarsi lo spettro di corpo nero. Inoltre potevano calcolare in che modo l'espansione dell'universo avrebbe attenuato questa radiazione e il ridotto la sua temperatura. I2 scienziati utilizzarono stime della densità attuale della materia nell'universo per rivedere quale temperatura avrebbe oggi la radiazione cosmica di fondo e ottennero un valore di circa 5 K. Gli astronomi non si affannarono a confermare questa previsione, forse perché non sapevano come distinguere il fondo cosmico da altre fonti di radiazione o forse perché non prendevo sul serio le ipotesi cosmologiche sulle quali essa si basava. La versione originale della teoria del big bang aveva due grossi difetti. In primo luogo non riusciva a spiegare la formazione degli elementi successivi al elio, che ha numero di massa pari a quattro. Poiché non esistono isotopi stabili  aventi numero di massa uguale a cinque e a otto, non si possono costruire elementi pesanti a partire dall'elio aggiungendo un neutrone per volta. Il problema si potrebbe risolvere solo ricorrendo alla nucleosintesi stellare proposta da Hoyle, Fowler e collaboratori,1 concetto associato alla teoria dello stato stazionario. In effetti, l'attuale versione della teoria del big bang postula che gli elementi successivi al elio siano stati prodotti solo dopo la formazione della prima generazione di stelle. Una seconda obiezione a un universo nato da big bang riguardava la questione dell'età. La misurazione astronomica delle distanze e delle velocità di recessione delle galassie, unita alla legge di Hubble dell'espansione, implicava che l'universo avesse 2 miliardi di anni. Tuttavia le rocce della superficie terrestre dimostrano che il nostro pianeta è notevolmente più vecchio. La teoria dello stato stazionario fu concepita per risolvere questa contraddizione. Una sera del 1946  tre giovani scienziati di Cambridge - Hoyle, Herman Bondi e Thomas Gold - videro un film di fantasmi, Dead of Night. Come ricordò in seguito Hoyle, il film <<aveva quattro parti separate, ingegnosamente collegate in modo che la sua struttura fosse circolare, con il finale uguale all'inizio>>. Gold di essere suoi amici se l'universo potesse essere costruito allo stesso modo. Nella discussione che ne seguì, i tre abbozzarono modello dinamico, ma non ciclico, di un universo che manterrebbe sempre lo stesso aspetto pur mutando continuamente. Secondo Hoyle, Bondi e Gold, l'universo non ha mai avuto inizio. Il fatto che le galassie si allontanino a grande velocità non implica una dispersione sempre crescente della materia: la nostra galassia non rimarrà mai sola perché nuova materia viene creata di continuo in misura esattamente sufficiente a sostituire quella che sparisce dall'universo visibile. Questa nuova materia formerà a suo tempo stelle e galassie, sicché l'universo avrà sempre lo stesso aspetto in ogni momento e per ogni osservatore. Si potrebbe obiettare che la creazione di materia dal nulla viola il principio di conservazione della massa e dell'energia. Ma la risposta è ovvia: anche la teoria del big bang viola questo principio creando tutta la materia in una sola volta, all'inizio del tempo, fuori da ogni possibilità di studio scientifico. (In una versione successiva della teoria dello stato stazionario, Hoyle propose che sia l'energia gravitazionale a creare materia,1 modifica che garantisce la conservazione complessiva della massa e dell'energia, ma introduce altri problemi).

I fautori dello stato stazionario affermavano che la loro teoria era più scientifica di quella del big bang, in quanto postulava un processo - la creazione continua di materia - che in linea di principio poteva essere osservato. Inoltre essi sostenevano che la teoria dello stato stazionario faceva previsioni ben definite, suscettibili di verifica nel prossimo futuro. Affidando il destino del loro modello ai risultati di poche osservazioni, Bondi, Gold e altri sostenitori dello stato stazionario si rifacevano esplicitamente alle dottrine di Karl Popper , filosofo austriaco. Popper definisce la scienza come una disciplina fondata sulla creazione di ipotesi che predicono fenomeni - preferibilmente nuovi - suscettibili di verifica. Se una di queste previsioni fallisce, l'ipotesi viene abbandonata; se invece questa resiste, lo scienziato non ritiene di aver la dimostrata, ma semplicemente di averla posta come base per ulteriori ricerche. Secondo Popper il criterio per giudicare una teoria scientifica dovrebbe essere la vrificabilità anziché la verità. Per esempio le teorie marxiste e psicoanalitiche vengono da lui ritenute <<pseudoscienza>>, in quanto sarebbero così flessibili da poter spiegare qualsiasi fatto e quindi eludere sempre una verifica. Bondi propose di mettere alla prova la teoria dello stato stazionario paragonando l'universo com'è attualmente e com'era nel passato. Dato che l'universo, secondo la teoria, devi avere sempre lo stesso aspetto, le galassie formatesi recentemente e dovrebbero essere simili a quelle molto antiche. Se osservando il cielo - e quindi tornando indietro nel tempo, dato che la velocità della luce è finita - si vedesse che le galassie lontane appaiono diverse da quelle vicine, allora, per usare le parole di Bondi, <<la teoria dello stato stazionario sarebbe morta stecchita>>. Come altri autori che scrissero prima del 1965, tuttavia, Bondi non menzionò un'altra possibile verifica del modello dello stato stazionario: esso non prevede l'esistenza di una radiazione di fondo a microonde. La teoria non superò la prova a cui Bondi l'aveva sottoposta. Negli anni 50 all'inizio degli anni 60 un buon numero di osservazioni astronomiche dimostrò che l'universo è cambiato nel tempo in modo significativo. Martin Ryle di Cambridge effettuò un conteggio delle radiosorgenti lontane e di quelle vicine, sapendo che i segnali più distanti avevano impiegato più tempo ad arrivare e quindi rispecchiavano una fase più antica della storia dell'universo. Ryle concluse che in passato il numero di radiosorgenti era inferiore all'attuale. Sebbene alcuni astronomi non ritenessero decisive le sue argomentazioni, ulteriori prove si ebbero con la scoperta di quelle che sembravano le più antiche sorgenti di radiazione: i quasar. Questi corpi celesti non hanno alcun corrispondente attuale. Nel frattempo lo spinoso problema della discordanza, a fra l'età dell'universo e quella della terra veniva risolto in maniera favorevole alla teoria del big bang. Nel 1952 sulla scia di Walter Baade del Mount Wilson Observatory, gli astronomi aumentarono di un fattore due la scala delle distanze galattiche. Di conseguenza l'età stimata dell'universo raddoppiò. Ulteriori ricerche la innalzarono fino a un valore minimo di 10 miliardi di anni mentre l'età della terra rimaneva fissata al 4, 5 miliardi di anni. Tuttavia molti scienziati, soprattutto nel regno unito, apprezzavano la semplicità della teoria dello stato stazionario e continuarono a sostenerla, sottolineando che essa non costringeva a fare assunzioni arbitrarie su un evento iniziale o a preoccuparsi di ciò che potrebbe essere accaduto prima del big bang. I fautori dello stato stazionario erano anche incoraggiati dal fallimento dei precedenti tentativi di confutazione del loro modello e quindi erano diffidenti nei confronti di nuovi attacchi. Mentre i sostenitori dello stato stazionario respingevano sempre più laboriosamente le crescenti prove contro la loro teoria, la loro adesione alla metodologia di Popper divenne via via meno credibile; e si apparvero invece come un esempio perfetto della più cinica concezione della scienza espressa da Planck. Nella sua autobiografia del grande fisico scrisse: <<Una nuova verità scientifica non trionfa convincendo e illuminando i suoi oppositori, ma ha la meglio perché questi ultimi finiscono per morire, la nuova generazione ha familiarità con essa>>. Principio di Planck, come è chiamato dagli storici della scienza, contraddice quello di Popper dando la precedenza all'elemento umano nella scienza, a detrimento della logica astratta. Proprio come gli astronomi possono valutare i rispettivi meriti del big bang e dello stato stazionario nel descrivere l'universo, così gli storici della scienza possono tentare di decidere se sia più appropriata la descrizione di Planck o quella di Popper. In questa sede lo si valuterà nel caso particolare, senza cercare di stabilire se esso abbia o meno applicabilità generale. Un sondaggio del 1959 dimostrò che la maggioranza degli astronomi li respingeva l'idea della creazione continua di materia, e che solo un terzo dei votanti fosse realmente favorevole al big bang. Anche Hoyle abbandonò il suo modello originario e lo sostituì con un'ipotesi più complicata. Nel 1964 egli concluse che l'elevata abbondanza di Elio nell'universo implica che esso abbia raggiunto, in un certo momento, temperature superiori a 10^10 kelvin; tuttavia rifiutò di lasciar cadere l'ipotesi della creazione continua. Era necessario un fatto nuovo. E questo fatto fu la scoperta della radiazione di fondo a microonde. Penzias e Wilson fecero la loro osservazione misurando la temperatura nel cielo o, come direbbe un fisico, rilevando la distribuzione spettrale della radiazione di corpo nero di Planck corrisponde a una determinata temperatura. La radiazione elettromagnetica pervade lo spazio interplanetario e interstellare e può essere rivelata da strumenti a terra. Gran parte di questa radiazione a fare a specifiche frequenze, determinate dalle proprietà fisiche e chimiche delle sorgenti astronomiche, e quindi non può essere definita accuratamente a una singola temperatura. Ciò che bisogna invece cercare è radiazione che si è in equilibrio termico a una particolare temperatura, vale a dire che abbia una distribuzione continua nelle diverse frequenze, secondo la legge scoperta da Planck nel 1900. La distribuzione di Planck ha un andamento caratteristico per ciascuna temperatura. Nell'universo in cui viviamo la radiazione di fondo corrisponde a una temperatura leggermente inferiore a 3 k. La distribuzione spettrale ha un massimo a una lunghezza d'onda di circa 0,18 cm, che cade nella regione delle microonde. La temperatura del cielo può essere ricavata per via Indiretta. Come osservò nel 1926 sir Arthur Stanley Eddington, la quantità di luce proveniente da tutte le stelle - vale a dire la densità totale di energia - sarebbe equivalente a 3,2 k se portata all'equilibrio termico. Ma egli non propose alcun metodo specifico per verificare questa previsione. A quell'epoca anche uno scienziato della levatura di Eddington avrebbe trovato spaventoso questo compito. È ovvio che un comune termometro sarebbe sopraffatto dall'energia proveniente dal sole, dagli altri oggetti celesti e dall'atmosfera della terra. Solo con strumenti straordinariamente sensibili, regolati su lunghezze d'onda comprese tra 1 mm e 1 cm e isolati da sorgenti locali, si può sperare di rivelare le microonde del fondo cosmico. Circa 15 anni dopo la preveggente osservazione di Eddington, Andrew McKellar del Dominion Astrophysical Observatory in Canada escogitò un modo pratico per misurare quella che egli chiamava la temperatura effettiva del cielo. McKellar, 1 dei primi astronomi a supporre che nello spazio interstellare possano esistere molecole oltre che atomi, propose di impiegare come termometro la molecola di cianogeno (CN). Egli notò che il cianogeno emette righe spettrali la cui densità relativa corrisponde al numero di elettroni che si trovano negli stati di energia più elevata, numero che a sua volta è funzione della temperatura del cielo; con il suo metodo McKellar stimò che questa temperatura fosse di 2,3 k. Questi sistemi diretti non garantivano l'eliminazione di interferenza da parte di sorgenti locali; a questo scopo sarebbe stato necessario non solo rivelare la radiazione, ma costruirne nella mappa in tutto il cielo. I sistemi radar messi a punto al Massachusetts Institute Technology durante la seconda guerra mondiale erano a malapena in grado di individuare direttamente la radiazione cosmica di fondo (ammesso che in quel momento qualcuno volesse cercarla). Nel 194061 gruppo del MIT, sotto la guida di Robert H. Dicke, pubblicò alcune misurazioni della radiazione atmosferica eseguite con un radiometro per microonde. Il gruppo osservò che la <<radiazione emessa dalla materia cosmica a lunghezze d'onda radiometriche>> era piuttosto debole - inferiore all'equivalente di 20 K - ma non si spinse oltre. Dicke, trasferitosi poi alla Princeton University, ricordò in seguito che <<all'epoca di quella misurazione non pensavamo alla radiazione del big bang, ma solo a un possibile bagliore emsrso dalle galassie più lontano dell'universo>>. Nel suo libro I primi 3 minuti, Steven Weinberg espone due ragioni per cui nessuno aveva cercato sistematicamente la radiazione di fondo prima del 1965. In primo luogo il big bang aveva perso parte della propria credibilità non riuscendo a spiegare la formazione di elementi più pesanti dell'elio, e quindi non sembrava importante verificare le altre previsioni della teoria. Invece la nucleosintesi stellare - una teoria correlata alla cosmologia dello stato stazionario - sembrava in grado di descrivere molto bene come gli elementi pesanti fossero stati prodotti a partire da idrogeno ed elio, anche se non spiegava affatto come avesse avuto origine l'elio stesso. Inoltre Weinberg fa notare la mancanza di comunicazione tra i fisici teorici e sperimentali: i primi non si rendevano conto che era possibile osservare la radiazione di fondo con strumenti esistenti, i secondi, non capirono quale fosse la portata delle proprie osservazioni. Da questo punto di vista, è degno di nota il fatto che il ruolo rilevante sia stato svolto da uno scienziato, quale Dicke, era insieme teorico e sperimentatore: insieme con P. James E. Peebles, fu proprio lui a correlare uno strano rumore a microonde alla teoria cosmologica. La più notevole occasione mancata fu originata da un equivoco fra Gamow e Hoyle. Sebbene ognuno fosse aspramente critico nei confronti della teoria dell'altro, i due ne discutevano spesso amichevolmente. Nell'estate 1956 Gamow disse a Hoyle che l'universo doveva essere pervaso da radiazione a microonde a una temperatura di circa 50 K.  (ra arrivato da solo a questa stima, dopo che Alpher e Herman avevano pubblicato la loro previsione.) Hoyle conosceva bene l'ipotesi di McKellar che la temperatura del cielo dovesse essere di circa 3 K e quindi sostenne che il valore ricavato da Gamow era di gran lunga troppo alto. Ma nessuno dei due si rese conto che, se una misurazione diretta avesse confermato il valore di 3 K e avesse nello stesso tempo individuato lo spettro di Planck, la teoria dello stato stazionario sarebbe caduta, in quanto essa prevedeva - come riconosciuto dallo stesso Hoyle - una temperatura del cielo uguale a zero. Fu un altro tipo di problema di comunicazione - legato alle trasmissioni via satellite - a portare alla scoperta della radiazione di fondo microonde. Il proposito dei Bell Laboratories era di trasmettere la maggior quantità possibile di informazioni alle frequenze delle microonde, e a questo scopo era necessario individuare ed eliminare tutte le possibili sorgenti di rumore. Lo strumento impiegato per la trasmissione, derivato dai sistemi radar militari messi a punto dai Bell Laboratories durante la guerra, era un'antenna a tromba costituita nel 1942 da Harald T. Friis e A. C. Beck. Un altro tecnico dei Bell Labs, Arthur B. Crawford, sviluppò ulteriormente l'idea e nel 1960 costruì un'antenna a tromba da 6 m al laboratorio di Crawford Hill presso Holmdel, nel New Jersey. Questo strumento, usato originariamente per ricevere i segnali riflessi da un pallone di plastica sospeso ad alta quota nell'atmosfera, divenne disponibile per altri obiettivi di ricerca proprio mentre entravano in scena Penzias e Wilson.

  Spettro della radiazione di corpo nero

I 2 studiosi volevano iniziare un programma di ricerca nel campo della radioastronomia. Per preparare per il loro lavoro il sensibilissimo strumento, Penzias e Wilson dovevano per prima cosa eliminare il rumore a microonde, ma i loro primi tentativi fallirono miseramente. Infine, nel gennaio 1965, Penzias venne a sapere della teoria di Peebles, che poteva spiegare l'origine  dell'ostinato segnale. Peebles lavorava con Dicke a Princeton, a circa 40 km dal laboratorio di Holmdel. Dicke non accettava l'ipotesi che l'universo avesse necessariamente avuto inizio con un big bang, ma riteneva più probabile che fosse andato incontro a farsi alterne di espansione e contrazione. Alla fine di ciascun episodio di contrazione, la materia avrebbe raggiunto temperature e densità così elevati da scindere i nuclei più pesanti in protoni e neutroni. Così, sebbene l'universo di Dicke non inizi con un big bang, ognuno dei suoi cicli deve cominciare con un cataclisma analogo. Oltre a ciò, la teoria di Dicke includeva una palla di fuoco iniziale di radiazione ad alta temperatura che nel raffreddarsi avrebbe conservato il proprio carattere di corpo nero di Planck; egli stimò che la temperatura attuale di questa radiazione dovesse essere di circa 45 K  (dimenticando evidentemente la propria misurazione del 1946 che faceva pensare all'esistenza di una radiazione di fondo a una temperatura inferiore a 20 K). Peebles e seguì gli altri calcoli basandosi sulla teoria di Dicke e ottenne una stima di circa 10 K. Insieme con due laureandi, P. G. Roll e D. T. Wilkinson, Dicke e Peebles iniziarono allora a costruire a Princeton un'antenna per misurare la radiazione cosmica di fondo. Prima però che il gruppo potesse ottenere qualche risultato, Dicke e Peebles e precedentemente da Alpher e Herman, ma prima del colloquio di due astronomi non sapevano quale fosse il significato di ciò che avevano trovato. L'interpretazione teorica fu essenziale per trasformare in una vera e propria scoperta una semplice osservazione: scoperta che avrebbe potuto essere fatta oltre 10 anni prima se il mondo scientifico non avesse trascurato i lavori di Gamow, Alpher e Herman. Articoli la firma dei due gruppi, quello di Princeton e quello dei Bell Labs, vennero inviati all'<<Astrophysical Journal>> nel maggio 1965 gli apparvero insieme nel numero del 1º luglio. Questa pubblicazione diede via un vero diluvio di articoli, sia nei mezzi di comunicazione di massa sia nelle riviste scientifiche. Persino Hoyle ammise che la teoria dello stato stazionario, almeno nella sua forma originale, avrebbe dovuto essere scartata, anche se più tardi cercò di sostenerne una versione modificata in grado di spiegare la radiazione di fondo a microonde. Ma l'enfasi posta da Bondi sulla verificabilità della teoria dello stato stazionario era tornata a tormentare i suoi stessi sostenitori: qualunque tentativo di modificare la teoria per spiegare le nuove scoperte rischiava di essere bollato come <<pseudo scienza>>. Benché la stampa avesse concluso che Penzias e Wilson avevano confermato definitivamente il big bang, gli scienziati compresero che i loro risultati si limitavano a poche frequenze raggruppate a un'estremità della curva di Planck. Dati così isolati si potevano giustificare anche con altre spiegazioni della radiazione di fondo, per esempio con una combinazione di radiosorgenti. Solo a metà degli anni 70 si riuscì a raccogliere un numero sufficiente di misure a diverse frequenze da convincere gli scettici e la radiazione di fondo segue realmente la legge di Planck. Lo spettro della molecola di cianogeno ebbe un ruolo di rilievo in questa dimostrazione, dopo che gli astronomi ebbero riesumato e ampliato i vecchi lavori di McKellar. Alla fine degli anni 70 pressoché i fautori del modello dello stato stazionario lo avevano ormai esplicitamente abbandonato oppure avevano cessato le pubblicazioni di argomento cosmologico. Un sondaggio di quell'epoca fra gli astronomi statunitensi, condotto da Carol M. Copp della California State University a Fullerton, rivelò che la grande maggioranza di essi era favorevole alla teoria del big bang anziché a quella dello stato stazionario. Il rapido crollo del modello dello stato stazionario a partire dal 1965 dimostra che a questo caso si applica il principio di Popper e non quello di Planck. La scoperta della radiazione di fondo microonde, combinata con il problema dell'abbondanza cosmica dell'elio e con l'osservazione di radiosorgenti e quasar lontani, convinse la maggior parte dei paladini dello stato stazionario che non valeva la pena di appoggiare ulteriormente questa teoria: era stata messa alla prova e trovata in difetto. Tuttavia nel 1990, quando lo stato stazionario era ormai finito nel dimenticatoio, Hoyle e alcuni colleghi tentarono di resuscitarlo sotto forma di una <<teoria del mini-big bang>>, sostenendo che i dati disponibili non confermano l'ipotesi che ogni cosa sia stata creata in una singola enorme esplosione. E sebbene i fautori del big bang e siano riusciti a respingere gran parte delle obiezioni, vi erano ancora alcuni problemi irrisolti. Per esempio, il fondo cosmico a microonde sembrava troppo uniforme; non presentava le lievi variazioni di temperatura, e implicitamente di densità, necessarie per ridurre l'aggregazione gravitazionale della materia. In mancanza di queste anisotropie, non vi sarebbe stato tempo sufficiente dall'origine dell'universo per produrre le galassie degli ammassi di galassie che osserviamo oggi. Nell'aprile del 1992 George P. Smoot e colleghi dell'Università della California a Berkeley e del Lawrence Berkeley Laboratory hanno reso noti alcuni dati che potrebbero colmare questa lacuna. L'analisi delle misurazioni della radiazione cosmica di fondo realizzate dall'osservatorio orbitante Cosmic Background Explorer (COBE) ha rivelato lievi variazioni nella temperatura del fondo cosmico a microonde, proprio come si attendevano i teorici del big bang. Queste <<increspature>> vengono interpretate come fluttuazioni della densità di materia e di energia in una fase molto precoce della storia dell'universo e potrebbero spiegare in che modo la materia si sia aggregata per effetto della gravità in tempo utile per generare le stelle, le galassie e le strutture di scala più grande osservabili nell'universo attuale. L'universo ha veramente avuto inizio con il big bang o vi è stata una precedente fase di contrazione e ha dato origine a uno Stato ad alta temperatura e densità? L'universo continuerà a espandersi per sempre o finirà per collassare in un buco nero? L'origine dell'universo coinvolge a livello fondamentale la teoria dei quanti? Questi problemi sono oggi in primo piano nella ricerca astrofisica. Il fatto che gli scienziati li considerino meritevoli di seria considerazione è in gran parte conseguenza della scoperta della radiazione cosmica di fondo, che ha trasformato la cosmologia di scienza sperimentale.