16 Dic 2021 Stelle Estreme Confermano la Relatività Generale
Un team internazionale di astronomi ha indagato sulle dinamiche di un sistema stellare rarissimo, composto da due pulsar in orbita ravvicinata una attorno all’altra. La doppia pulsar rappresenta un laboratorio senza rivali per testare le teorie della gravità in presenza di campi gravitazionali molto forti. Lo studio conferma ancora una volta la validità delle teorie di Albert Einstein, anche in uno degli scenari più estremi che può offrire l’Universo.
Le pulsar sono stelle di neutroni che derivano dall’esplosione di stelle massicce. Ruotano con rapidità incredibile, fino a 700 volte al secondo, lanciando fasci ristretti di onde radio che si propagano verso la Terra con una sequenza temporale straordinariamente precisa e regolare, come fari cosmici. Un team internazionale di ricercatori ha condotto uno studio durato 16 anni per sfidare la Relatività Generale con test particolarmente rigorosi. Lo studio si concentra su un sistema binario di pulsar chiamato PSR J0737-3039 A/B, coinvolge sette telescopi radio nel mondo e rivela nuovi effetti relativistici, già previsti ma osservati adesso per la prima volta. La Teoria di Einstein concorda con le osservazioni a un livello di almeno il 99,99 percento. I risultati sono pubblicati su Physical Review X.
Sebbene gran parte delle circa 3.000 pulsar ad oggi note siano oggetti solitari, alcune sono state individuate in sistemi binari stretti, accoppiate ad altri oggetti. La scoperta del primo sistema di questo tipo, PSR B1913+16 (di Hulse-Taylor), da parte di Joseph Hooton Taylor Jr. e Russell Alan Hulse nel 1974, consentì ai due scienziati di vincere nel 1993 il Premio Nobel per la fisica per “aver aperto nuove possibilità per lo studio della gravitazione”. Oltre un centinaio di anni dopo la presentazione della Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, gli scienziati continuano a metterla alla prova: l’osservazione di una qualsiasi deviazione da questa teoria potrebbe rappresentare una scoperta epocale, in grado di aprire la strada a una nuova fisica. Tuttavia, ogni volta che si è testata la Teoria della Relatività Generale, i risultati sono stati coerenti con essa e ne hanno confermato la piena validità.
“Abbiamo studiato un sistema di stelle compatte che rappresenta un laboratorio senza rivali per testare le teorie della gravità in presenza di campi gravitazionali molto forti. Con nostra soddisfazione, siamo riusciti a testare una pietra miliare della teoria di Einstein, l’energia trasportata sotto forma di onde gravitazionali, con una precisione 25 volte maggiore rispetto a quella ottenuta con la pulsar Hulse-Taylor che ha permesso di vincere il Nobel, e mille volte maggiore di quanto non sia possibile attualmente utilizzando i rilevatori di onde gravitazionali”, spiega Michael Kramer del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) a Bonn, Germania, a guida del team di ricerca.
Non soltanto le osservazioni sono in perfetto accordo con la teoria, “ma siamo anche stati in grado di osservare effetti che non si potevano studiare in precedenza”. “Abbiamo seguito la propagazione dei fotoni radio emessi da un faro cosmico, una pulsar, e abbiamo tracciato il loro moto nel forte campo gravitazionale di una pulsar compagna. Abbiamo visto per la prima volta come la luce non soltanto subisce un ritardo a causa della forte curvatura dello spazio-tempo attorno alla compagna, ma abbiamo anche osservato la deflessione della luce di un piccolo angolo di 0,04 gradi, che possiamo misurare. Non è stato mai condotto un esperimento in presenza di una curvatura dello spazio-tempo così notevole”.
La doppia pulsar, un vero e proprio laboratorio cosmico per studiare la gravità e i suoi effetti nello spazio-tempo, è stata scoperta nel 2003 ed è composta da due pulsar radio che orbitano una attorno all’altra in appena 147 minuti, a velocità di circa un milione di chilometri all’ora. Una delle pulsar ruota rapidissima, compiendo un giro attorno a se stessa circa 44 volte ogni secondo. La sua compagna è molto giovane e compie un giro in 2,8 secondi. “Un moto orbitale così rapido di oggetti compatti come questi, che sono più massicci del Sole del 30 percento ma si estendono per appena 24 chilometri, ci permette di testare molte differenti previsioni della Relatività Generale: sette in totale!”, spiega Dick Manchester del CSIRO, in Australia.
“Oltre alle onde gravitazionali, la precisione ottenuta ci permette di sondare gli effetti della propagazione luminosa, ad esempio il “ritardo Shapiro” e la deflessione della luce. Possiamo misurare anche l’effetto di dilatazione temporale che fa rallentare gli orologi nei campi gravitazionali. Inoltre, abbiamo dovuto utilizzare la famosa equazione di Einstein E = mc2, per considerare l’effetto sul moto orbitale della radiazione elettromagnetica emessa dalla pulsar in rapidissima rotazione. Questa radiazione corrisponde a una perdita di massa pari a 8 milioni di tonnellate al secondo! Anche se può sembrare un valore notevole, in realtà equivale solo a una piccola frazione (3 parti su mille miliardi di miliardi) della massa della pulsar”.
Il team ha anche misurato, con una precisione di una parte per milione, la variazione dell’orbita, un effetto relativistico ben noto anche per l’orbita di Mercurio, ma in questo caso 140.000 volte più potente. Inoltre, a questo livello di precisione occorre tener presente l’impatto della rotazione della pulsar sullo spazio-tempo circostante, che viene “trascinato” con la pulsar mentre gira: la rotazione di una grande massa perturba lo spazio, un effetto noto come frame-dragging. Le misurazioni hanno permesso al team di ricavare un tracciamento preciso della rotazione della pulsar, per ricavare informazioni sulla sua composizione ed estensione. Questa tecnica di “pulsar timing” è stata combinata con misurazioni interferometriche accurate del sistema ed è stato così possibile misurarne la distanza da noi, pari a 2.400 anni luce con un margine di errore di appena l’8 percento.
“Abbiamo ottenuto tutte le informazioni possibili del sistema e abbiamo ricavato un quadro perfettamente coerente, che coinvolge processi fisici di aree differenti, come la fisica nucleare, la gravità, il mezzo interstellare, la fisica del plasma e oltre. Questo è piuttosto straordinario”, conclude Bill Coles dell’University of California San Diego. Nei prossimi anni, quando verranno utilizzati telescopi ancora più potenti, assisteremo a test ancora più precisi della gravità per cercare anche minime deviazioni dalle teorie di Einstein. “La Relatività Generale non è compatibile con altre forze fondamentali descritte dalla meccanica quantistica. Pertanto è importante continuare a effettuare i test più rigorosi possibili”, afferma Robert Ferdman dell’University of East Anglia. “Scoprire una qualsiasi deviazione dalla Relatività Generale potrebbe costituire una scoperta epocale che potrebbe aprire una nuova finestra su nuova fisica, al di là della teoria attuale sull’Universo. E potrebbe portarci alla fine verso la scoperta di una teoria unificata delle forze fondamentali della natura”.
Nell’immagine rappresentazione artistica di una pulsar binaria
Image credit: John Rowe Animations/CSIRO, CC BY
https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressreleases/2021/12
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