Radio Pulsar dimostra che Binary Einstein ha ragione almeno al 99,99%.

Sono passati più di cento anni da quando Einstein ha formalizzato la sua teoria della relatività generale (GR), la teoria geometrica della gravità che ha rivoluzionato la nostra comprensione dell’universo. Tuttavia, gli astronomi sono ancora sottoposti a test rigorosi, sperando di trovare deviazioni da questa teoria consolidata. Il motivo è semplice: qualsiasi indicatore della fisica oltre la GR aprirebbe nuove finestre sull’universo e aiuterebbe a risolvere alcuni dei misteri più profondi dell’universo.

Uno dei test più rigorosi di sempre è stato condotto di recente da un team internazionale di astronomi guidato da Michael Kramer del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) a Bonn, in Germania. Utilizzando sette radiotelescopi di tutto il mondo, Kramer e i suoi colleghi hanno osservato una coppia unica di pulsar per 16 anni. Nel processo, hanno osservato per la prima volta gli effetti previsti dai GR, e con Salute Almeno il 99,99%!

Oltre ai ricercatori di MPIfR, Kramer e i suoi colleghi sono stati raggiunti da ricercatori di istituzioni in dieci diversi paesi, tra cui il Jodrell Bank Center for Astrophysics (UK), l’ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (Australia) e l’Oceano Istituto. For Theoretical Physics (Canada), Osservatorio di Parigi (Francia), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italia), Osservatorio di radioastronomia sudafricano (SARAO), Netherlands Institute for Radio Astronomy (ASTRON) e Osservatorio di Arecibo.

Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono ampi fasci di onde radio. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA

Le «pulsar radio» sono una classe speciale di stelle di neutroni a rotazione rapida altamente magnetiche. Questi oggetti ultra densi emettono potenti raggi radio dai loro poli che (se combinati con la loro rapida rotazione) creano un potente effetto simile a un faro. Gli astronomi sono affascinati dalle pulsar perché forniscono una grande quantità di informazioni sulla fisica che governa gli oggetti ultra piccoli, i campi magnetici, il mezzo interstellare (ISM), la fisica planetaria e persino la cosmologia.

Inoltre, le intense forze gravitazionali consentono agli astronomi di testare le previsioni fatte da teorie gravitazionali come GR e Dinamica newtoniana modificata (MOND) in alcune delle condizioni più difficili immaginabili. Per il loro studio, Kramer e il suo team hanno esaminato PSR J0737-3039 A/B, un sistema a «doppia stella» situato a 2.400 anni luce dalla Terra in costellazione di bambole.

Questo sistema è l’unica radio pulsar binary ever ed è stato scoperto nel 2003 dai membri del team di ricerca. Le due pulsar che compongono questo sistema hanno rivoluzioni veloci – 44 volte al secondo (A), una volta ogni 2,8 secondi (B) – e orbitano l’una intorno all’altra per soli 147 minuti. Sebbene sia circa il 30% più grande del Sole, ha un diametro di soli 24 km (15 miglia). Quindi, la sua intensa gravità e intensi campi magnetici.

Oltre a queste proprietà, il periodo orbitale veloce di questo sistema lo rende un laboratorio quasi perfetto per testare le teorie gravitazionali. Come ha affermato il professor Kramer in un recente comunicato stampa per MPIfR:

«Abbiamo studiato un sistema di stelle compresse e siamo un laboratorio senza rivali per testare le teorie della gravità in presenza di campi gravitazionali molto forti. Con nostra grande gioia, siamo stati in grado di testare la pietra angolare della teoria di Einstein, l’energia che essa trasporta onde gravitazionali, con una precisione 25 volte migliore di quella della pulsar Hulse-Taylor vincitrice del Premio Nobel e 1.000 volte migliore di quella attualmente possibile con i rilevatori di onde gravitazionali».

Rappresentazione artistica della traiettoria della stella S2 che passa vicino al Sagittario A*, che consente anche agli astronomi di testare le previsioni fatte dalla relatività generale in condizioni estreme. Credito: ESO/M. Kornmeiser

Sette radiotelescopi sono stati utilizzati per la campagna di osservazione di 16 anni, tra cui Parkes Radio Telescope (Australia), Green Bank Telescope (USA), Nansai Radio Telescope (Francia), Eiffelberg 100m Telescope (Germania), Lovell Radio Telescope (Kingdom United), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Paesi Bassi) e Very Long Core Array (Stati Uniti).

Questi osservatori coprivano diverse parti dello spettro radio, che andavano da 334 MHz e 700 MHz a 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz e 2520 MHz. In tal modo, sono stati in grado di vedere come i fotoni provenienti da questa pulsar binaria sono stati influenzati dalla sua forte gravità. Come ha spiegato la professoressa Ingrid Stiers della University of British Columbia (UBC) di Vancouver, coautrice dello studio:

«Seguiamo la propagazione dei fotoni radio emessi da un faro cosmico, una pulsar, e tracciamo il loro movimento nel forte campo gravitazionale di una pulsar compagna. Vediamo per la prima volta come la luce sia ritardata non solo dalla forte curvatura dello spazio- tempo intorno a un compagno, ma anche che la luce è deviata di un piccolo angolo di 0,04 gradi. Possiamo la loro scoperta. Un simile esperimento non era mai stato fatto prima in una curvatura così alta dello spazio-tempo. «

Come ha aggiunto il coautore, il professor Dick Manchester della Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) australiana, il rapido movimento orbitale di oggetti compatti come questi ha permesso loro di testare sette diverse previsioni su GR. Questi includono le onde gravitazionali, la propagazione della luce («ritardo e flessione della luce di Shapiro), la dilatazione del tempo e l’equazione massa-energia (E = mc).²), e qual è l’effetto della radiazione elettromagnetica sul moto orbitale di una pulsar.

Il Robert C. Bird Green Bank Telescope (GBT) nel West Virginia. Credito: GBO/AUI/NSF

«Questa radiazione equivale a una perdita collettiva di 8 milioni di tonnellate al secondo!» Egli ha detto. «Anche se sembra molto, è una minuscola frazione – 3 parti per mille miliardi (!) – della massa di una pulsar al secondo». I ricercatori hanno anche effettuato misurazioni molto precise dei cambiamenti nell’orientamento orbitale delle pulsar, un effetto relativistico osservato per la prima volta con l’orbita di Mercurio e uno dei misteri che la teoria della GR di Einstein ha contribuito a risolvere.

Solo qui, l’effetto era 140.000 volte più forte, portando il team a rendersi conto che avevano anche bisogno di considerare l’effetto della rotazione della pulsar sullo spaziotempo circostante, alias. Effetto Lense-Thirring, o «trascina la cornice». Anche il dottor Norbert Weeks di MPIfR, un altro autore principale dello studio, ha consentito un’altra svolta:

“Questo significa nella nostra esperienza che dobbiamo considerare la struttura interna di una pulsar come a stella di neutroni. Quindi, le nostre misurazioni ci consentono per la prima volta di utilizzare il tracciamento preciso dei cicli delle stelle di neutroni, una tecnica che chiamiamo temporizzazione delle pulsar per fornire vincoli sull’estensione della stella di neutroni».

Un altro risultato prezioso di questo esperimento è stato il modo in cui il team ha combinato tecniche di monitoraggio complementari per ottenere misurazioni della distanza ad alta precisione. Studi simili sono stati spesso ostacolati in passato da stime della distanza scadenti. Combinando la tecnologia di temporizzazione pulsar con misurazioni interferometriche precise (ed effetti ISM), il team ha ottenuto un risultato ad alta risoluzione di 2.400 anni luce con un margine di errore dell’8%.

Illustrazione artistica di due stelle di neutroni che si fondono. I fasci stretti rappresentano un’esplosione di raggi gamma, mentre il reticolo spazio-temporale ondulato denota le opposte onde gravitazionali che caratterizzano la fusione. Credito: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonetto

Alla fine, non solo i risultati del team erano coerenti con il GR, ma sono stati anche in grado di vedere effetti che non avrebbero potuto essere studiati prima. Come ha espresso Paulo Freire, un altro coautore dello studio (anche di MPIfR):

«I nostri risultati completano bene altri studi sperimentali che testano la gravità in altre condizioni o vedono effetti diversi, come i rivelatori di onde gravitazionali o l’Event Horizon Telescope. Completano anche altri esperimenti sulle pulsar, come il nostro esperimento di temporizzazione con una pulsar in un sistema a tre stelle , che ha fornito un test indipendente (e affascinante) dell’universalità della caduta libera».

«Abbiamo raggiunto un livello di precisione senza precedenti», ha concluso il professor Kramer. Gli esperimenti futuri con telescopi più grandi potrebbero e continueranno ad andare oltre. Il nostro lavoro ha mostrato il modo in cui tali esperimenti dovrebbero essere condotti e quali esatti effetti devono essere presi in considerazione ora. Forse un giorno troveremo una deviazione dalla relatività generale”.

Il documento che descrive la loro ricerca è apparso di recente sulla rivista X. revisione fisicae

Originariamente pubblicato in universo oggi.

Per saperne di più su questa ricerca:

Riferimento: «Prove di gravità in campo forte utilizzando la doppia stella» di M. Kramer et al. 13 dicembre 2021, X. revisione fisica.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050