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La relatività generale – Perché Einstein aveva ragione?

Einstein

Dagli studi condotti da un team internazionale di scienziati sulla doppia pulsar scoperta nel 2003 da Marta Burgay dell’INAF di Cagliari, è arrivata l’ennesima conferma della teoria della relatività generale. Le osservazioni sono durate per ben 16 anni e hanno convalidato gli effetti previsti dalla teoria di Einstein al 99,99%.


La teoria della relatività generale di Albert Einstein, nel corso degli anni, è stata oggetto di numerose revisioni e verifiche sperimentali. Lo scorso 13 dicembre 2021 l’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) ha dato notizia dei risultati raggiunti dal progetto internazionale guidato da Michael Kramer del Max Planck Institute for Radio Astronomy di Bonn, in Germania. Come affermato dallo stesso Kramer:

Per la nostra gioia siamo stati in grado di testare una pietra angolare della teoria di Einstein, l’energia trasportata dalle onde gravitazionali, con una precisione che è 25 volte migliore rispetto alla pulsar di Hulse e Taylor (vincitori del premio Nobel nel 1993), e 1000 volte migliore di quanto attualmente possibile con i rivelatori di onde gravitazionali.

La scoperta

La doppia pulsar PSR J0737-3039 è stata osservata per la prima volta nel 2003 da un team guidato dall’astrofisica italiana Marta Burgay. Le pulsar sono delle particolari stelle di neutroni che si originano a partire dalle esplosioni di Supernova di stelle di grande massa. Al termine della loro storia evolutiva le stelle che hanno una massa iniziale superiore a otto volte la massa del Sole, possono collassare violentemente su se stesse producendo questi oggetti estremamente compatti. Basti pensare che una stella di neutroni media ha un raggio di appena una decina di chilometri.

In particolare, le pulsar sono delle stelle di neutroni in rapidissima rotazione. A causa di campi elettromagnetici estremamente intensi le pulsar producono dei fasci di radiazione che partono dai poli magnetici della stella e sono inclinati rispetto all’asse di rotazione. Questo fa sì che il segnale della stella venga osservato dalla Terra a intervalli di tempo regolari. Si comportano essenzialmente come dei fari che illuminano ritmicamente in una certa direzione.

Animazione di una pulsar: i fasci verdi sono i coni di radiazione osservabili a intervalli regolari e le linee bianche rappresentano il campo magnetico.

Le onde gravitazionali

Il campo gravitazionale generato dal sistema di doppia pulsar in questione è molto intenso. Rappresenta dunque un “laboratorio” unico ed eccezionale per testare la relatività. Uno dei fenomeni predetti dalla teoria di Einstein, infatti, sono le onde gravitazionali che in genere si formano in presenza di campi di gravità simili a quelli della doppia pulsar. La scoperta delle onde gravitazionali, avvenuta presso l’osservatorio americano LIGO, ha portato Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne a vincere il premio Nobel per la fisica nel 2017.

La relatività generale ha rivoluzionato definitivamente la concezione della gravità, in precedenza concepita come forza a distanza. L’idea di Einstein prevede l’esistenza di uno spaziotempo che determina la geometria dell’Universo. Spazio e tempo rappresentano una sorta di intelaiatura geometrica del cosmo che può essere deformata. Infatti, a causa della presenza di oggetti dotati di massa, lo spaziotempo si incurva generando la gravità. In quest’ottica i corpi di massa maggiore attirano a sé quelli più piccoli perché sono in grado di deformare maggiormente il tessuto spaziotemporale.

Le onde gravitazionali sono dunque delle increspature particolari dello spaziotempo che possono propagarsi e trasportare energia, e, come confermato dalle osservazioni, si generano in corrispondenza di oggetti dotati di masse grandissime che subiscono delle accelerazioni considerevoli. Sistemi binari, formati da coppie di buchi neri o, come nel nostro caso, da una doppia pulsar, sono tipici generatori di onde gravitazionali.

Un risultato sorprendente

Le due pulsar, situate nella costellazione della Poppa, compiono un’intera orbita l’una intorno all’altra ogni 147 minuti con una velocità di circa un milione di chilometri orari. Una ruota molto velocemente, circa 44 volte al secondo. La compagna, più giovane, ha un periodo di rotazione di 2,8 secondi. Entrambe hanno una massa di un 30% superiore a quella del Sole e un diametro di circa 20 chilometri.

Per lo studio sono stati coinvolti ben 7 radiotelescopi in tutto il mondo e i risultati sono senza precedenti. Le intense perturbazioni gravitazionali indotte dalle due pulsar producono costantemente delle onde gravitazionali. A causa della loro emissione il sistema perde progressivamente energia orbitale (le pulsar rallentano nel tempo e si avvicinano). Le osservazioni hanno confermato i modelli relativistici con un margine di errore dello 0.013%. Altro risultato strepitoso riguarda l’osservazione di segnali radio che subiscono un ritardo a causa della forte curvatura dello spaziotempo. Questo effetto predetto dalla teoria è il cosiddetto ritardo temporale di Shapiro che si verifica quando un segnale elettromagnetico passa vicino a un corpo con massa elevata.

Per le due pulsar gli studiosi sono anche riusciti a misurare, con un’incertezza di una parte su un milione, che le orbite cambiano progressivamente orientazione. Questo è uno dei test più noti della relatività generale, già verificato per l’orbita di Mercurio (precessione del perielio).

Oltre la relatività

Einstein ha pubblicato la teoria della relatività generale nel 1916. Dopo oltre 100 anni la comunità scientifica continua a raffinare le sue rivelazioni e a produrre test che mirano a confermare con estrema precisione la sua validità. Un livello di significatività così elevato non era mai stato ottenuto prima. Questo risultato è l’ennesima vittoria del genio di Einstein che conferma la fecondità fenomenale delle sue idee.

Nella fisica moderna però manca ancora una descrizione unificata di tutte e 4 le forze fondamentali della natura. La relatività generale, infatti, vacilla quando si raggiungono scale fisiche microscopiche in cui le interazioni dominanti sono l’elettromagnetismo, le interazioni deboli e le interazioni nucleari. Ad esempio, una teoria unificata sarebbe necessaria per spiegare cosa accade in un buco nero e soprattutto cosa è avvenuto nei primi istanti di vita dell’Universo.

Altra frontiera interessante riguarda la descrizione della gravità su scale cosmologiche. Molti studiosi ritengono, infatti, che andando a livello degli ammassi di galassie (cioè gli oggetti astronomici più grandi che conosciamo) siano applicabili delle teorie di gravità modificata che possano spiegare al meglio la distribuzione e il comportamento di questi oggetti. Per ora, però, la relatività generale resta la migliore teoria disponibile per comprendere la natura del cosmo.

Diego Bottoni

(In copertina un ritratto di Albert Einstein da pixabay.com)


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