Conferma stellare per la caduta libera di Einstein – Media Inaf

Un team di ricerca internazionale ha verificato una delle previsioni fondamentali della relatività generale di Einstein, il principio di equivalenza debole, o universalità della caduta libera: quello secondo il quale la gravità attira tutti gli oggetti con la stessa accelerazione, a prescindere dalla loro composizione, densità o forza del campo gravitazionale. Lo hanno fatto monitorando con precisione il movimento di una pulsar, PSR J0337 + 1715, all’interno di un insolito sistema stellare triplo, combinando i dati con le più recenti osservazioni dei rivelatori di onde gravitazionali.

Illustrazione della pulsar  millisecondo PSR J0337 + 1715 (a destra) con  le sue due stelle compagne nane bianche. La trama verde illustra la curvatura dello spazio-tempo causata dalle diverse masse dei corpi. Le dimensioni e le distanze dei tre componenti non sono in scala. Crediti: Michael Kramer / MPIfR

L’universalità della caduta libera è una caratteristica unica della gravità, che si manifesta – a differenza di tutte le altre interazioni in natura – attirando tutti gli oggetti con la stessa accelerazione. Un principio che implica l’uguaglianza tra massa gravitazionale e massa inerziale (principio di equivalenza). Due corpi con masse diverse, e campi gravitazionali diversi, accelerano dunque allo stesso modo verso un terzo corpo che li attrae.

Da Galileo Galilei, nel suo Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze, a Isaac Newton, nei Principi matematici della filosofia naturale, molti si sono occupati di questo principio fondamentale. Ma a cosa attribuire il fenomeno? Ci pensò Albert Einstein nel 1907, ipotizzando che la gravità fosse una manifestazione non di uno spazio euclideo, ma di uno spazio-tempo curvo, quello di Friedrich Gauss, Bernhard Riemann, etc, che agisce su tutte le masse allo stesso modo.

Un concetto che è al centro della sua teoria generale della relatività. Una intuizione che lo stesso Einstein definì: the happiest thought of my life“, il pensiero più felice della mia vita. In pratica Einstein attribuì gli effetti della gravitazione alle proprietà dello spazio-tempo e non ai corpi stessi, e questo assicurava che la caduta libera fosse identica per tutti i corpi.

A questo punto era necessario valutare la fondatezza della teoria. Nei secoli sono state condotti diversi test per verificare questo principio. Quello più preciso è stato finora ottenuto da un mini-satellite appositamente progettato chiamato Microscope, sviluppato dal centro nazionale di studi spaziali francese (Cnes). Nell’esperimento, le piccole masse di prova all’interno del mini-satellite, soggette al campo gravitazionale della Terra, hanno mostrano accelerazioni uguali con una precisione di una parte su 1014.

Un altro test per verificare questo principio è stato il Lunar Laser Ranging, che si basava sulla misura della distanza tra la Terra e la Luna, entrambe in caduta libera verso il Sole. Una loro differenza nella velocità di caduta sarebbe apparsa come una variazione di distanza. Grazie a questo esperimento, “sparando” raggi laser su tre riflettori lasciati sulla Luna durante le missioni dell’Apollo 11, 14 e 15, è stato possibile misurare la distanza tra gli osservatori e i riflettori sulla Luna con una precisione di pochi centimetri. I risultati, con una precisione di una parte su 1013, concordarono con le previsioni della relatività generale: la Terra e la Luna cadono con la stessa accelerazione nel campo gravitazionale del Sole.

Il nuovo test che il team di ricerca guidato da Guillaume Voisin del Jodrell Bank Centre for Astrophysics di Manchester ha condotto, i cui risultati sono riportati su Astronomy & Astrophysics, è per alcuni aspetti analogo all’esperimento Lunar Laser Ranging, ma a differenza di quest’ultimo ha utilizzato un sistema stellare triplo, costituito da una pulsar e da due nane bianche, come banco di prova ideale per testare l’universalità della caduta libera.

La pulsar è PSR J0337 + 1715, una stella di neutroni distante 4200 anni luce nella costellazione del Toro che mostra regolari impulsi radio mentre ruota 366 volte al secondo attorno al proprio asse. Un corpo in reciproca interazione con altre due stelle, entrambe nane bianche, rispetto alle quali è molto più massiccia: ha più massa del Sole (1.44 masse solari) schiacciata in un diametro di poco più di 20 chilometri, raggiungendo densità di oltre un miliardo di tonnellate nel volume di una zolletta di zucchero.

Nell’esperimento, PSR J0337 + 1715 e la nana bianca interna (0.2 masse solari), sono equivalenti alla Terra in orbita con la Luna dell’esperimento con la misura laser lunare. La nana bianca esterna (0.4 masse solari) è l’equivalente del Sole, fornendo il campo gravitazionale in cui cade il sistema interno (pulsar/nana bianca interna). In questo caso però, invece di usare un raggio laser per misurare la distanza tra gli osservatori e i riflettori, viene utilizzato il tracciamento preciso dei segnali radio provenienti dalla pulsar.

Lo specchio primario del radiotelescopio di Nançay. Crediti: Denys, wikicommons

Nello studio, utilizzando il radiotelescopio francese Nançay  per misurare con precisione i tempi di arrivo degli impulsi radio provenienti da PSR J0337 + 1715 in un arco temporale di otto anni, i ricercatori mostrato che la pulsar e la vicina nana bianca cadono nel campo gravitazionale della nana bianca esterna con la stessa accelerazione al meglio di due parti per milione (2 parti su 106), confermando ulteriormente il pensiero più fortunato della vita di Einstein.

Teorie alternative della gravità prevedono deviazioni da un’accelerazione universale, che aumenterebbero di grandezza con la quantità di curvatura spazio-temporale causata dall’oggetto. Per oggetti come la Terra, il Sole e per stelle come le nane bianche, la curvatura spazio-temporale è molto piccola. Per le stelle di neutroni, invece, la curvatura è da un milione a miliardi di volte più grande. Questo risultato, sebbene meno preciso del Lunar Laser Ranging, conferma la costante accelerazione nonostante l’enorme curvatura spazio-temporale causata dalla pulsar, provando la legge della gravitazione di Einstein anche per questi oggetti cosmici così massicci.

«Aver confermato il principio della caduta libera con questa precisione costituisce uno dei test più rigorosi mai fatti prima della teoria di Einstein, e la teoria ha superato il test a pieni voti», sottolinea Voisin. «Inoltre, i risultati forniscono vincoli  molto stringenti alle teorie alternative della gravità, che competono con la relatività generale di Einstein per spiegare la gravità e, ad esempio, l’energia oscura».

PSR J0337 + 1715 mostra infatti come l’intuizione geniale di Einstein si applichi anche a oggetti cosmici estremi come le stelle di neutroni, che furono scoperte per la prima volta solo 50 anni dopo la pubblicazione della teoria della relatività generale. «Forse più di qualsiasi test precedente» conclude Paulo Freire, astronomo del Max Planck Institute for Radio Astronomy e co-autore dello studio «questo risultato indica che il pensiero più fortunato di Einstein cattura davvero qualcosa di fondamentale sulla gravità e sui segreti della Natura».

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