I ricercatori dell’Università dell’East Anglia e dell’Università di Manchester hanno contribuito a condurre un esperimento di 16 anni per sfidare la teoria della relatività generale di Einstein.

Il team internazionale ha osservato le stelle – una coppia di stelle estreme chiamate pulsar – attraverso sette radiotelescopi in tutto il mondo.

E l’hanno usato per sfidare la teoria più famosa di Einstein con alcuni dei test più difficili di sempre.

Lo studio pubblicato oggi (13 dicembre 2021) sulla rivista X. revisione fisica, rivela nuovi effetti relativistici che, sebbene attesi, vengono ora osservati per la prima volta.

Il dottor Robert Ferdman, della School of Physics dell’Università dell’East Anglia, ha dichiarato: “Per quanto efficace sia la teoria della relatività generale di Einstein, sappiamo che questa non è l’ultima parola nella teoria della gravità.

I ricercatori hanno condotto un esperimento di 16 anni per sfidare la teoria della relatività generale di Einstein. Il team internazionale ha osservato le stelle – una coppia di stelle estreme chiamate pulsar – attraverso sette radiotelescopi in tutto il mondo. Credito: Istituto Max Planck per la radioastronomia

“Più di 100 anni dopo, gli scienziati di tutto il mondo continuano i loro sforzi per scoprire i difetti della sua teoria.

“La relatività generale è incompatibile con le altre forze fondamentali descritte dalla meccanica quantistica. È quindi importante continuare a mettere i test più rigorosi possibili sulla relatività generale, per scoprire come e quando la teoria si rompe”.

“Trovare qualsiasi deviazione dalla relatività generale costituirebbe un’importante scoperta che aprirebbe una finestra su una nuova fisica oltre la nostra attuale comprensione teorica dell’universo.

“E alla fine potrebbe aiutarci a scoprire una teoria unificante delle forze fondamentali della natura”.

Guidato da Michael Kramer del Max Planck Institute for Radio Astronomy di Bonn, in Germania, il team internazionale di ricercatori provenienti da dieci paesi ha messo la teoria di Einstein alla prova più dura mai vista.

Il dottor Ferdman ha detto: “A pulsar È una stella magnetizzata compressa ad alto spin che emette raggi di radiazione elettromagnetica dai suoi poli magnetici.

“Pesano più del nostro sole ma sono larghi solo 15 miglia, quindi sono oggetti incredibilmente densi che producono raggi radio che spazzano il cielo come un faro.

“Abbiamo studiato una doppia pulsar, che è stata scoperta dai membri del team nel 2003 e fornisce il nostro attuale laboratorio più accurato per testare la teoria di Einstein. Naturalmente, la sua teoria è stata concepita quando non era possibile immaginare questi tipi di stelle estreme, né le tecniche utilizzate per studiarli.”

Una doppia pulsar è composta da due pulsar che orbitano l’una intorno all’altra in soli 147 minuti a una velocità di circa un milione di km/h. Una delle pulsar ruota molto velocemente, circa 44 volte al secondo. Il compagno è giovane e ha un periodo di rotazione di 2,8 secondi. Il loro movimento intorno all’altro può essere usato come un tester di gravità quasi perfetto.

Per osservare questa doppia pulsar sono stati utilizzati sette radiotelescopi sensibili – in Australia, Stati Uniti, Francia, Germania, Paesi Bassi e Regno Unito (Lovell Radio Telescope).

Il professor Kramer ha dichiarato: “Abbiamo studiato un sistema di stelle compresse ed è un laboratorio senza rivali per testare teorie gravitazionali in presenza di campi gravitazionali molto forti.

“Siamo lieti di essere stati in grado di testare la pietra angolare della teoria di Einstein, l’energia che trasporta onde gravitazionali, con una precisione di 25 volte migliore di quella della pulsar Hulse-Taylor, vincitrice del premio Nobel, e 1.000 volte migliore di quella attualmente possibile con i rilevatori di onde gravitazionali”.

Non solo le osservazioni sono coerenti con la teoria, ha spiegato, “ma siamo anche stati in grado di vedere effetti che non potevano essere studiati prima”.

Il professor Benjamin Stappers, dell’Università di Manchester, ha dichiarato: “Il sistema a doppia pulsar è stato scoperto come parte di un’indagine condotta congiuntamente dall’Università di Manchester e ci ha fornito l’unico esempio noto di due orologi cosmici che consentono una misurazione accurata del struttura ed evoluzione di un intenso campo gravitazionale.

Da allora, il telescopio Lovell del Jodrell Bank Observatory lo osserva ogni due settimane. Questa lunga linea di base di osservazioni ripetibili di alta qualità ha fornito un eccellente set di dati da combinare con quelli degli osservatori di tutto il mondo”.

La professoressa Ingrid Stears dell’Università della Columbia Britannica a Vancouver ha dichiarato: “Seguiamo la propagazione dei fotoni radio emessi da un faro cosmico, una pulsar, e tracciamo il loro movimento nel forte campo gravitazionale di una pulsar compagna.

“Vediamo per la prima volta come la luce viene ritardata non solo dalla forte curvatura dello spazio-tempo attorno a un compagno, ma anche che la luce viene deviata da un piccolo angolo di 0,04 gradi che possiamo rilevare. Un esperimento del genere non è mai stato fatto prima in una così alta curvatura dello spazio-tempo.”

Il professor Dick Manchester dell’agenzia scientifica nazionale australiana, CSIRO, ha dichiarato: “Un movimento orbitale così rapido di oggetti compatti come questo – sono circa il 30 percento più grandi del Sole ma solo circa 24 km di diametro – ci consente di testare molte previsioni generali diverse. Relatività – sette in totale!

“Oltre alle onde gravitazionali e alla propagazione della luce, la nostra precisione ci consente anche di misurare l’effetto di ‘dilatazione del tempo’ che rende gli orologi più lenti nei campi gravitazionali.

“Dobbiamo anche prendere la famosa equazione di Einstein E = mc² in considerazione quando si considera l’effetto della radiazione elettromagnetica emessa da una pulsar in rapida rotazione sul movimento orbitale.

“Questa radiazione equivale a una perdita collettiva di 8 milioni di tonnellate al secondo! Anche se sembra molto, è una piccola frazione – 3 parti per mille miliardi (!) – di una massa pulsar al secondo”.

I ricercatori hanno anche misurato – con una precisione di una parte per milione (!) – che l’orbita cambia direzione, un effetto relativistico noto anche dall’orbita di Mercurio, ma qui 140 mila volte più forte.

Si sono resi conto che a questo livello di precisione avevano anche bisogno di considerare l’effetto della rotazione della pulsar sullo spazio-tempo circostante, che è “tirato” con la pulsar.

Il dottor Norbert Weeks di MPIfR, un altro autore principale dello studio, ha dichiarato: “I fisici chiamano questo effetto Lense-Thirring o frame drag. Nel nostro esperimento, questo significa che dobbiamo considerare la struttura interna di una pulsar a stella di neutroni.

“Quindi, le nostre misurazioni ci consentono per la prima volta di utilizzare un tracciamento preciso dei cicli delle stelle di neutroni, una tecnica che chiamiamo temporizzazione delle pulsar per fornire vincoli sull’estensione della stella di neutroni”.

La tecnologia di temporizzazione delle pulsar è stata combinata con le precise misurazioni dell’interferometria del sistema per determinare la distanza con immagini ad alta risoluzione, ottenendo un valore di 2.400 anni luce con un margine di errore di appena l’8%.

Il professor Adam Diller, membro del team, della Swinburne University in Australia, responsabile di questa parte dell’esperimento, ha dichiarato: “È la combinazione di diverse tecniche di monitoraggio complementari che si aggiungono al valore massimo dell’esperimento. Studi simili sono stati spesso ostacolati in passato da una conoscenza limitata della distanza di questi sistemi.”

Questo non è il caso qui, dove oltre alla tempistica delle pulsar e all’interferometria, sono state attentamente considerate anche le informazioni ottenute dagli effetti del mezzo interstellare.

Il professor Bill Coles dell’Università della California di San Diego è d’accordo: “Abbiamo raccolto tutte le informazioni possibili sul sistema ed estratto un’immagine perfettamente coerente, che coinvolge la fisica di molti campi diversi, come la fisica nucleare, gravitazionale e interstellare, plasma Fisica e altro. Questo è molto insolito”.

Paulo Freire, anche lui di MPIfR, ha dichiarato: “I nostri risultati completano bene altri studi sperimentali che testano la gravità in altre condizioni o vedono effetti diversi, come i rilevatori di onde gravitazionali o il telescopio dell’orizzonte degli eventi.

“Completa anche altri esperimenti sulle pulsar, come l’esperimento di temporizzazione con una pulsar in un sistema a tre stelle, che ha fornito un affascinante test indipendente dell’universalità della caduta libera”.

Il professor Kramer ha aggiunto: “Abbiamo raggiunto un livello di accuratezza senza precedenti. I futuri esperimenti con telescopi più grandi potrebbero e continueranno ad andare oltre.

“Il nostro lavoro ha mostrato il modo in cui tali esperimenti devono essere eseguiti e quali effetti sottili devono ora essere presi in considerazione. Forse un giorno troveremo una deviazione dalla relatività generale”.

Riferimento: “Test gravitazionali a campo forte utilizzando la stella doppia” di M. Kramer et al. 13 dicembre 2021, X. revisione fisica.
DOI: 10.1103/ PhysRevX.11.041050