Alcuni astronomi hanno usato il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO, insieme a radio telescopi di tutto il mondo, per trovare e studiare una bizzarra coppia di stelle formata dalla stella di neutroni più massiccia finora nota intorno a cui orbita una nana bianca. Questa strana binaria permette di verificare la teoria della gravità di Einstein – la relatività generale – in modi che finora non erano possibili. Per il momento, le nuove osservazioni sono perfettamente in accordo con le previsioni della relatività generale, mentre non sono consistenti con alcune delle teorie alternative. I risultati sarannno pubblicati dalla rivista Science il 26 aprile 2013.
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Un’equipe internazionale ha scoperto un oggetto doppio un po’ strano, formato da un stella a neutroni, piccola ma insolitamente pesante, che ruota su se stessa 25 volte ogni secondo, intorno a cui ogni due ore e mezza orbita una nana bianca. La stella di neutroni è una pulsar che emette onde radio che possono essere intercettate dai radiotelescopi sulla Terra. È una coppia molto interessante di per sè, ma è anche un laboratorio unico di verifica dei limiti delle teorie fisiche.
La pulsar si chiama PSR J0348+0432 ed è il resto di un’esplosione di supernova. È due volte più pesante del Sole, ma è grande solo 20 chilometri. La forza di gravità alla superficie è più di 300 miliardi di volte maggiore di quella sulla Terra e nel centro ogni cubetto di materia delle dimensioni di una zolletta di zucchero contiene più di un miliardo di tonnellate di materia. La compagna nana bianca è solo leggermente meno esotica: è il resto incandescente di una stella più leggera che ha perso la propria atmosfera e si sta ora lentamente raffreddando.
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“Stavo osservando il sistema con il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO, alla ricerca di cambiamenti nella luce emessa dalla bana bianca, a causa del suo moto intorno alla pulsar”, dice John Antoniadis, uno studente di dottorato all’Istituto del Max Planck per la Radioastronomia (MPIfR) a Bonn e primo autore dell’articolo. “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”.
La teoria della relatività generale di Einstein, che spiega la forza di gravità come una conseguenza della curvatura dello spazio-tempo dovuta alla presenza di massa ed energia, ha superato tutti i controlli fin dall’epoca della sua pubblicazione, un centinaio di anni fa. Ma non può essere la spiegazione finale e alla fine dovrà essere modificata [1].
I fisici hanno escogitato altre teorie delle gravità che danno previsioni diverse da quelle della relatività generale. Per alcune di queste alternative, la differenza si manifesta solo in campi gravitazionali molto forti che non si trovano all’interno del Sistema Solare. In termini di gravità, PSR J0348+0432 è un oggetto realmente estremo, anche rispetto alle altre pulsar che sono state usate nei test ad alta precisione della relatività generale di Einstein [2]. In questi campi gravitazionali così intensi, piccole variazioni di massa possono portare a grandi cambiamenti dello spazio-tempo intorno all’oggetto. Fino ad ora gli astronomi non avevano idea di ciò che sarebbe potuto accadere in presenza di una stella di neutroni così massiccia come PSR J0348+0432, che offre perciò l’opportunità unica di spingere queste verifiche in nuovi territori.
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L’equipe ha combinato osservazioni della nana bianca ottenute con il VLT (Very Large Telescope) con una scala temporale molto precisa della pulsar misurata dai radiotelescopi [3]. Un binaria così stretta emette radiazioni gravitazionali e perde di conseguenza energia. Ciò modifica leggermente il periodo orbitale, ma le previsioni della relatività generale e delle altre teorie in competizione su come debba essere questo cambiamento sono diverse.
“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”, afferma Paulo Freire, un altro membro dell’equipe.
Questo è solo l’inizio di una serie di studi dettagliati di questo oggetto unico e gli astronomi lo useranno per verificare la relatività generale con precisione sempre maggiore nel futuro.
Note
[1] La relatività generale non è consistente con l’altra grande teoria della fisica del ventesimo secolo: la meccanisca quantistica. Prevede anche delle singolarità in circostanze particolari, in cui alcune quantità tendono all’infinito, come per esempio al centro di un buco nero.
[2] La prima pulsar binaria, PSR B1913+16, è stata scoperta da Joseph Hooton Taylor, Jr. e Russell Hulse, per la quale hanno ricevuto il Premio Nobel in Fisica nel 1993. Hanno misurato accuratamente i cambiamenti delle proprietà di questo oggetto straordinario e hanno dimostrato che erano esattamente consistenti con le perdite di energia gravitazionale previste dalla relativtà generale.
[3] Questo lavoro ha utilizzato dati dai radiotelescopi di Effelsberg, Arecibo e Green Bank, così come dal VLT (Very Large Telescope) dell’ESO e dal telescopio William Herschel nella banda ottica.