La relatività generale di Einstein supera il test più impegnativo dalla sua nascita

I ricercatori hanno usato una strana coppia stellare a 7 mila anni luce dal nostro pianeta come laboratorio per studiare la natura della gravità. L'incredibile attrazione gravitazionale di una massiccia stella di neutroni in orbita assieme a una nana bianca ha permesso ai ricercatori di mettere alla prova le principali teorie gravitazionali contrastanti, in quella che è stata probabilmente la sfida più combattuta e impegnativa fino ad oggi.
Alla fine, la teoria che ha vinto era già la favorita ai blocchi di partenza: la teoria della relatività generale proposta da Albert Einstein nel 1915.

La famosa teoria di Einstein, che spiega la forza di gravità come una conseguenza della curvatura dello spazio-tempo dovuta alla presenza di massa ed energia, ha sopravvissuto anche sotto condizioni estreme, dove secondo i ricercatori avrebbe mostrato le prime lacune.
Lo scopo dei ricercatori era quello di trovare una descrizione alternativa della gravità che eliminasse l'incompatibilità tra la relatività generale e la teoria quantistica.
Questo insolito sistema stellare, chiamato PSR J0348+0432, è composto da una pulsar e una nana bianca che si orbitano a vicenda ogni 2,5 ore. La pulsar è il resto di una potente supernova e, nonostante sia due volte più pesante del Sole, misura solo 20 chilometri in diametro. L'attrazione gravitazionale sulla sua superficie è più di 300 miliardi di volte quella sulla Terra e, nel suo nucleo, ogni cubetto di materia delle dimensioni di una zolletta di zucchero contiene più di un miliardo di tonnellate di materia. La nana bianca compagna è il resto incandescente di una stella più leggera che ha perso la propria atmosfera e si sta ora lentamente raffreddando.
«Stavo osservando il sistema con il VLT dell'ESO, alla ricerca di cambiamenti nella luce emessa dalla bana bianca, a causa del suo moto intorno alla pulsar», spiega John Antoniadis del Max Planck. «Un'analisi veloce, a caldo, mi ha fatto capire che la pulsar è un vero peso massimo: è circa due volte la massa del Sole, il che la rende la stella a neutroni più massiccia che si conosca e anche un laboratorio eccellente per la fisica fondamentale».
È stata una dura sfida per tutte le teorie che si sono scontrate, ma alla fine le osservazioni del sistema combaciavano con le previsioni dei modelli sui quali era stata applicata la relatività generale.
PSR J0348+0432 è stata scoperta dal Green Bank Telescope della National Science Foundation, e successivamente studiato nel visibile dall'Apache Point Telescope nel Nuovo Messico, dal Very Large Telescope dell'ESO in Cile e dal William Herschel Telescope nelle Isole Canarie. Sono state effettuate anche osservazioni dai radiotelescopi di Arecibo a Puerto Rico e di Effelsberg in Germania. Queste osservazioni hanno consentito ai ricercatori di misurare minuscoli cambiamenti nelle orbite della coppia stellare.
«Le osservazioni in banda radio erano così precise che siamo stati in grado di misurare una variazione del periodo orbitale di 8 milionesimi di secondo all'anno, esattamente quanto previsto dalla teoria della gravitazione di Einstein», spiega Paulo Freire del Max Planck Institute for Radiastronomy in Germania.
In un simile sistema, le orbite decadono e vengono emesse onde gravitazionale che trasportano energia. Misurando con precisione le tempistiche delle pulsazioni radio della pulsar per un lungo periodo di tempo, i ricercatori sono stati in grado di determinare il ritmo di decadimento e la quantità di radiazioni gravitazionali emesse.
L'unicità di questo sistema sta nell'elevata massa della stella di neutroni, nella sua vicinanza alla compagna e nel fatto che la compagna è una stella compatta ma non una seconda stella di neutroni.
Secondo i ricercatori, sotto le estreme condizioni di questo sistema, le equazioni della relatività generale non sarebbero state in grado di fornire previsioni accurate sulla quantità di radiazioni gravitazionali emesse, cambiando quindi il ritmo di decadimento orbitale. Altre teorie, invece, avrebbero potuto fornire previsioni più accurate.
«Pensavamo che questo sistema fosse abbastanza estremo da mostrare una falla nella teoria della relatività generale, ma invece le previsioni di Einstein hanno resistito abbastanza bene», continua Freire.
Secondo i ricercatori, si tratta di una buona notizia per tutti gli scienziati che stanno lavorando per effettuare il primo rilevamento di onde gravitazionali con strumenti avanzati. La speranza è quella di rilevare onde gravitazionali emesse da coppie molto dense, come una stella di neutroni e un buco nero che si avvicinano lentamente e finiscono per scontrarsi in una collisione estremamente violenta.
Le onde gravitazionali sono molto difficili da rilevare anche con gli strumenti più avanzati, il cui «rumore» potrebbe nascondere del tutto le onde. Conoscere la vera natura e le proprietà di queste onde aiuterà i ricercatori a estrarre il segnale che stanno cercando dall'interferenza del rilevatore stesso.
«I nostri risultati indicano che le tecniche di filtrazione che sono in fase di sviluppo per questi avanzati strumenti sono ancora valide», spiega Ryan Lynch della McGill University.
La teoria di Einstein, ancora una volta, è uscita indenne dall'ennesimo controllo, ma i ricercatori sono convinti che non può rappresentare la spiegazione finale, e in futuro dovrà essere modificata.

© immagine
Antoniadis, et al./ESO/L. Calçada
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