Einstein, una pulsar conferma ancora la teoria della Relatività Generale

Stavolta è lo studio di una pulsar in un sistema triplo a dare (di nuovo) conferma ad Albert Einstein e alla Relatività Generale

Grazie ad una collaborazione che coinvolge ricercatori dell’Osservatorio Parigi-PSL, del CNRS e dell’LPC2E (Orléans) riportata sulla rivista Astronomy and Astrophysics, abbiamo la conferma più precisa fino ad oggi del pilastro della teoria della Relatività Generale di Einstein: il principio di equivalenza. Il team ha analizzato i segnali della pulsar PSR J0337 + 1715 registrati dal grande radiotelescopio di Nançay, situato nel cuore di Sologne.

La pulsar PSR J0337 + 1715

La pulsar PSR J0337 + 1715 è una stella di neutroni, con una massa 1,44 volte quella del Sole e un diametro di soli 25 km. Attorno ad essa, orbitano due nane bianche. Una di queste è molto vicino alla pulsar, solo 1/10 della distanza Sole-Mercurio, e l’altra è a una distanza paragonabile alla distanza Terra-Sole.

La pulsar emette un fascio di onde radio che, come un faro galattico, si propaga nello spazio. Ad ogni rotazione, le onde radio vengono immediatamente registrate con grande precisione dal radiotelescopio Nançay. Mentre la pulsar si muove nella sua orbita, la luce impiega più o meno tempo per arrivare sulla Terra. Questa misurazione (precisa al nanosecondo) di questi tempi di arrivo consente ai ricercatori di ricostruire, con estrema precisione, il movimento della stella.

Einstein aveva ragione (di nuovo)

La particolare configurazione del sistema, lo rende un ottimo test per la teoria della Relativita’ Generale, quasi unico nel suo genere. Isaac Newton fu il primo a tradurre in una consistente teoria della gravita’ le prime osservazioni sperimentali di Galileo Galilei, il quale per primo noto’ come due corpi materiali cadano all’interno di un dato campo gravitazionale con la stessa accelerazione, indipendentemente dalla loro massa o composizione. Cio’ porto’ a concludere che la “massa inerziale” (ovvero la massa che siamo abituati a misurare su una bilancia, che quantifica la resistenza che un corpo offre a una forza esterna e quindi la difficolta’ che si ha ad accelerarlo) sia sempre identica alla “massa gravitazionale” (la massa misurata tramita la forza di gravita’ esercitata da un dato corpo) . Questo principio e’ stato poi ampliato da Einstein, in quella che e’ di fatto la base di tutta la Relativita’ Generale, ovvero il “Principio di Equivalenza”, secondo il quale e’ impossibile, per un osservatore all’interno di un sistema isolato, capire se si trova sotto l’influenza di un campo gravitazionale o semplicemente dentro a una cabina in moto accelerato.

L’ascensore spaziale

Per far capire questo concetto cosi’ importante, Einstein propose di immaginare un ascensore spaziale che trasporta l’osservatore. Se l’ascensore è spinto da una forza esterna in moto accelerato verso l’alto, l’osservatore sentira’ un’accelerazione verso il basso. Analogamente, in presenza di un campo gravitazionale fuori dall’ascensore, l’osservatore sara’ spinto anche in questo caso verso il basso. Dall’interno dell’ascensore, l’osservatore non può stabilire se al di fuori ci sia una forza che spinge l’ascensore verso l’alto, o se e` semplicemente fermo all’interno di un campo di gravita’ che lo attrae verso il basso. In sostanza, gravita’ e accelerazione sono equivalenti, cosa che include l’equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale. Tutto cio’ ha sempre superato ogni test sperimentale, incluso la capacita’ di predire al millimetro l’orbita’ del sistema Terra-Luna intorno, misurata accuratamente con gli esperimenti “Lunar Laser Ranging” tramite gli specchi lunari.

La Terra infatti ha una energia di legame gravitazionale (ovvero l’energia che la tiene legata a se stessa in un unico corpo) maggiore di quella della Luna, e secondo la Relativita’ Generale e’ strettamente imparentata alla massa. Se il Principio di Equivalenza e’ valido, allora la diversa energia di legame dei due corpi non dovrebbe influire sulla loro dinamica (ovvero dovrebbe contribuire allo stesso modo alla massa sia inerziale che gravitazionale), e i due getti in orbita tra di loro dovrebbero sentire la stessa accelerazione verso il Sole. Se cosi’ non fosse, allora nel tempo dovremmo osservare l’orbita del sistema Terra-Luna leggermente allungata verso il Sole, per effetto della diversa accelerazione che a cui i due corpi sarebbero sottoposti. Questo ipotetico effetto (noto come “effetto Nortdvedt”) non e’ mai stato osservato durante le precisissime misurazioni tramite gli specchi lunari, confermando quindi la correttezza delle previsioni di Einstein.

Il test sul sistema PSR J0337+1715

Nel 2013 venne pero’ scoperto il sistema PSR J0337+1715, che offri’ quindi l’opportunita’ per un test ancora piu’ severo e rigoroso. In questo caso abbiamo infatti a che fare con una stella di neutroni, un oggetto ultra-compatto la cui energia di legame e’ enorme, pari a circa il 10% della massa gravitazionale della stella (nel caso della Terra, il rapporto tra la sua energia di legame e la massa gravitazionale e’ invece di appena di qualche decimiliardesimo). Cio’ renderebbe una eventuale violazione del Principio di Equivalenza di Einstein molto piu’ evidente se presente. Cosa altrettanto importante, e’ la presenza nel sistema di altri due corpi compatti, ovvero due nane bianche, di cui una in orbita stretta rispetto alla stella di neutroni, e una in orbita distante.

Quest’ultima fornirebbe il campo di gravita’ nel quale misurare il moto delle due stelle centrali (lo stesso ruolo del Sole per il sistema Terra-Luna), alla ricerca di eventuali allungamenti anomali della loro orbita in direzione della stella lontana, che indicherebbe una violazione della Relatività Generale. Ebbene, anche in questo caso, e con una grande accuratezza (di circa una parte su un milione) grazie alle particolarità uniche del sistema esaminato, non e’ stata osservata nessuna anomalia, ovvero anche in questo caso il moto dei corpi celesti hanno ubbidito alla perfezione ai dettami della Relatività Generale. Anche questa volta Einstein ha avuto ragione.

Riferimenti:

• https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/06/aa38104-20/aa38104-20.html
• https://www.obs-nancay.fr/2020/05/05/la-relativite-generale-confirmee-grace-au-radiotelescope-de-nancay/