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Una collaborazione internazionale di scienziati ha registrato la conferma più precisa, almeno finora, di uno dei cardini della teoria generale della relatività di Einstein, “l’universalità della caduta libera“. La nuova indagine mostra che la teoria della relatività generale di Einstein è valida per oggetti fortemente auto-gravitanti, come le stelle di neutroni.

Usando un radiotelescopio, gli scienziati sono stati in grado di osservare in modo molto preciso il segnale prodotto dalle pulsar, un tipo di stella di neutroni, e testare la validità della teoria della gravità di Einstein per questi oggetti estremi. Il team ha analizzato i segnali provenienti da una pulsar chiamata PSR J0337 + 1715 registrata dal grande radiotelescopio di Nançay, situato nel cuore di Sologne, in Francia.

L’ universalità del principio di caduta libera afferma che due corpi che cadono in un campo gravitazionale subiscono la stessa accelerazione, indipendentemente dalla loro composizione. Ciò è stato dimostrato, per la prima volta, da Galileo, che avrebbe lasciato cadere oggetti di diverse masse dalla cima della Torre di Pisa per verificare che entrambi raggiungessero il terreno contemporaneamente.

Il principio è anche al centro della teoria della relatività generale di Einstein. Tuttavia, alcuni suggerimenti, come l’incoerenza tra la meccanica quantistica e la relatività generale, o l’enigma della materia oscura e del dominio dell’energia oscura nella composizione dell’Universo, hanno portato molti fisici a pensare che la relatività generale potrebbe non essere, dopo tutto, la teoria finale della gravità.

Le osservazioni di Pulsar J0337 + 1715, che è una stella di neutroni con un nucleo stellare che è 1,44 volte la massa del Sole e che è crollata in una sfera di soli 25 km di diametro, mostra che orbita attorno a due nane bianche che sono molto più debole in termini di campo gravitazionale.

I risultati, pubblicati su Astronomy & Astrophysics, dimostrano che l’universalità del principio della caduta libera è corretta.

 

Lo studio

Guillaume Voisin, uno scienziato dell’Università di Manchester e leader dello studio, ha affermato che “la pulsar emette un raggio di onde radio che spazza lo spazio” e, ad ogni giro, “crea un lampo radio che viene registrato con alta precisione dal radiotelescopio di Nançay”.

Mentre la pulsar si muove nella sua orbita, il tempo di arrivo della luce sulla Terra cambia. È la misurazione precisa e la modellazione matematica, con precisione in nanosecondi, di questi tempi di arrivo, che consente agli scienziati di dedurre con precisione il movimento della stella di neutroni. “Soprattutto, è la configurazione unica di questo sistema, simile al sistema Terra-Luna-Sole, con la presenza di un secondo compagno (che interpreta il ruolo del Sole) verso il quale le altre due stelle ‘cadono’ (orbita), che ha permesso di eseguire una versione stellare del famoso esperimento di Galileo nella Torre di Pisa“, ha spiegato. “Due corpi di diversa composizione cadono con la stessa accelerazione nel campo gravitazionale di un terzo corpo.

Le misurazioni sono state ottenute da un team collaborativo dell’Università di Manchester, dell’Osservatorio di Parigi, del CNRS francese (Centre national de la recherche scientifique), del LPC2E (Laboratoire de Physique e del Chimie de l’Environnement et de l’Espace, Orléans, Francia) e il Max Planck Institute for Radio Astronomy.

La pulsar orbita attorno a due nane bianche, una delle quali orbita attorno alla pulsar in soli 1,6 giorni a una distanza circa 10 volte inferiore alla distanza Mercurio-Sole. Questo sistema binario, un po’ come la Terra e la Luna nel Sistema Solare, orbita attorno a una terza stella, una nana bianca con il 40% della massa del Sole, situata appena sopra la distanza che separa il sistema Terra-Luna dal Sole.

Nel Sistema Solare, l’esperimento del raggio laser lunare ha permesso di verificare se la Luna e la Terra siano identicamente influenzate dal campo di gravità del Sole, come previsto dall’universalità della caduta libera (il movimento orbitale è una forma di caduta libera).

Tuttavia, è noto che alcune deviazioni dall’universalità possono verificarsi solo per corpi fortemente auto-gravitanti, come le stelle di neutroni, che sono oggetti la cui massa è significativamente composta dalla propria energia gravitazionale grazie alla famosa relazione E = mc ^ 2 di Einstein.

Il nuovo esperimento pulsante del team colma il vuoto lasciato dai test del Sistema Solare, dove nessun oggetto è fortemente auto-gravitante, nemmeno il Sole. Il team ha dimostrato che il campo gravitazionale estremo della pulsar non può differire di oltre 1,8 parti per milione (con un livello di confidenza del 95%) dalla previsione della relatività generale.

Questo risultato è la conferma più accurata che l’universalità della caduta libera è valida anche in presenza di un oggetto la cui massa è in gran parte dovuta al proprio campo di gravità, sostenendo così la teoria della relatività generale di Einstein.