Il trio stellare potrebbe mettere alla prova la teoria della gravità di Einstein

Il trio stellare potrebbe mettere alla prova la teoria della gravità di Einstein

In un colpo di stato cosmico, gli astronomi hanno trovato un faro celeste noto come una pulsar in orbita con non una, ma altre due stelle. Il trio primo del suo genere potrebbe presto essere usato per mettere la teoria della gravità di Einstein, o relatività generale, a un test senza precedenti. "È un meraviglioso laboratorio che la natura ci ha regalato", dice Paulo Freire, un radioastronomo dell'Istituto Max Planck di Radioastronomia a Bonn, in Germania, che non è stato coinvolto nel lavoro. "È quasi fatto su ordinazione."

Una pulsar consiste in una stella di neutroni, il nucleo rimasto di una stella massiccia che è esplosa in un'esplosione di supernova. La gravità propria del core la stringe così intensamente che i nuclei atomici si fondono in un'unica sfera di neutroni. Anche la stella di neutroni rotanti emette un fascio di onde radio che spazza il cielo proprio mentre il raggio di luce di un faro spazza il mare. In effetti, le pulsar lampeggiano così regolarmente da produrre segnatempo naturali il cui ticchettio può essere costante come quello di un orologio atomico.

L'incredibile regolarità consente di determinare se la pulsar è in orbita con un altro oggetto, poiché è noto circa l'80% degli oltre 300 pulsar "millisecondi" a rotazione rapida. Mentre la pulsar e il suo compagno si avvicinano a vicenda, la distanza tra la pulsar e la Terra varia leggermente, così che ci vuole più o meno tempo affinché gli impulsi delle onde radio raggiungano la Terra. Di conseguenza, la frequenza delle pulsazioni accelera e rallenta in un ciclo rivelatore.

Ma uno scenario così semplice non è in grado di spiegare i particolari gorghi della frequenza del pulsar PSR J0337 + 1715, che Scott Ransom, un astronomo del National Radio Astronomy Observatory di Charlottesville, in Virginia, e colleghi hanno scoperto nel 2007 con Robert C. Byrd Green Bank Telescope in West Virginia. Addestrando altri radiotelescopi sull'oggetto, Ransom e colleghi l'hanno tenuto sotto stretta sorveglianza per un anno e mezzo. Alla fine, Anne Archibald, una studentessa della McGill University di Montreal, in Canada, ha capito esattamente cosa sta succedendo.

La pulsar, che ha 1,4 volte la massa del sole e gira 366 volte al secondo, è in un'orbita stretta della durata di 1,6 giorni con una stella nana bianca solo il 20% più massiccia del sole. Una seconda nana bianca che pesa il 41% tanto quanto il sole orbita attorno alla coppia interna ogni 327 giorni, come Riscatto e colleghi segnalano online oggi a Natura . "Pensiamo che non ci siano più di 100 di questi [trios] nella nostra galassia", dice Ransom. "Sono davvero oggetti da un miliardo di dollari."

Il nuovo sistema distintivo apre la strada per testare un concetto alla base della relatività generale noto come principio di equivalenza, che mette in relazione due diverse concezioni di massa. La massa inerziale di un oggetto quantifica il modo in cui resiste a spingere o tirare: è più facile avviare un passeggino a rotazione rispetto a un'auto perché il passeggino ha una massa meno inerziale. La massa gravitazionale di una cosa determina quanto un campo gravitazionale lo attira: un bilanciere è più pesante di una piuma perché ha più massa gravitazionale.

La versione più semplice del principio di equivalenza afferma che la massa inerziale e la massa gravitazionale sono uguali. Spiega perché oggetti ordinari come palle da baseball e mattoni cadono sulla Terra alla stessa velocità indipendentemente dalla loro massa, come la leggenda sostiene che Galileo abbia fatto cadere palle più pesanti e più leggere dalla Torre di Pisa.

Il forte principio di equivalenza fa compiere un importante passo in avanti. Secondo la famosa equazione di Einstein, E = mc 2 , l'energia è uguale alla massa. Quindi la massa di un oggetto o di un sistema può essere generata dall'energia nei campi gravitazionali all'interno del sistema stesso. Il principio dell'equivalenza forte afferma che anche se si include la massa generata attraverso tale "auto-gravitazione", la massa gravitazionale e quella inerziale sono uguali. Il principio è valido nella teoria della relatività generale di Einstein, ma in genere non si basa su teorie alternative, dice Thibault Damour, un fisico teorico dell'Istituto di studi scientifici avanzati a Bures-sur-Yvette, in Francia. Quindi spingere una spilla nel principio proverebbe che la relatività generale non è l'ultima parola sulla gravità.

I ricercatori hanno già provato a testare il forte principio di equivalenza. A partire dagli anni '70, alcuni hanno paragonato il modo in cui la Luna e la Terra orbitano nel campo gravitazionale del sole. Più recentemente, altri hanno analizzato il moto delle coppie di nane bianche pulsar nel campo gravitazionale della galassia. Ma quegli studi sono stati limitati, dice Damour. L'auto-gravitazione della Terra rappresenta solo un miliardesimo della sua massa. Negli studi sulle pulsar, la gravità della galassia è molto debole. Quindi il forte principio di equivalenza è stato testato solo per una precisione delle parti per mille.

Il nuovo sistema pulsar apre la strada a un test molto più rigoroso combinando i punti di forza dei due metodi precedenti. L'auto-gravitazione della pulsar rappresenta circa il 10% della sua massa, in contrasto con meno dello 0,001% per la nana bianca interna. Allo stesso tempo, entrambi si muovono nel campo gravitazionale della nana bianca esterna, che è molto più forte del campo della galassia. Tracciando l'evoluzione del sistema, Ransom e colleghi dovrebbero essere in grado di dire se la nana bianca interna o la pulsar cade più velocemente verso la nana bianca esterna e testare l'equivalenza forte circa 100 volte con la precisione di prima, dice Damour.

Così si troverà un forte principio di equivalenza carente? "Preferirei aspettarmi di ottenere un limite migliore" sulle possibili violazioni, afferma Damour. "Ma io sono di larghe vedute, sarebbe bello avere una violazione". Freire dice che una violazione sarebbe "una rivoluzione completa".

I ricercatori potrebbero non dover aspettare molto, dice Ransom. La sua squadra dovrebbe essere in grado di testare il principio entro un anno.

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