Rappresentazione artistica del sistema a tripla stella PSR J0337+1715, che si trova a circa 4, 200 anni luce dalla Terra. Questo sistema fornisce un laboratorio naturale per testare le teorie fondamentali della gravità. Credito:NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello
La comprensione di Einstein della gravità, come delineato nella sua teoria generale della relatività, prevede che tutti gli oggetti cadano alla stessa velocità, indipendentemente dalla loro massa o composizione. Questa teoria ha superato test dopo test qui sulla Terra, ma è ancora vero per alcuni degli oggetti più massicci e densi dell'universo conosciuto, un aspetto della natura noto come Principio di Equivalenza Forte? Un team internazionale di astronomi ha sottoposto a questa domanda persistente il test più rigoroso di sempre. Le loro scoperte, pubblicato sulla rivista Natura , mostrano che le intuizioni di Einstein sulla gravità sono ancora dominanti, anche in uno degli scenari più estremi che l'Universo possa offrire.
Porta via tutta l'aria, e un martello e una piuma cadranno alla stessa velocità, un concetto esplorato da Galileo alla fine del 1500 e notoriamente illustrato sulla Luna dall'astronauta dell'Apollo 15 David Scott.
Sebbene un fondamento della fisica newtoniana, ci è voluta la teoria della gravità di Einstein per esprimere come e perché le cose stanno così. Ad oggi, Le equazioni di Einstein hanno superato tutti i test, da attenti studi di laboratorio alle osservazioni dei pianeti del nostro sistema solare. Ma le alternative alla teoria della relatività generale di Einstein prevedono che oggetti compatti con gravità estremamente forte, come stelle di neutroni, cadono in modo leggermente diverso rispetto agli oggetti di massa minore. quella differenza, queste teorie alternative prevedono, sarebbe dovuto alla cosiddetta energia di legame gravitazionale di un oggetto compatto, l'energia gravitazionale che lo tiene insieme.
Nel 2011, il Green Bank Telescope (GBT) della National Science Foundation (NSF) ha scoperto un laboratorio naturale per testare questa teoria in condizioni estreme:un sistema a tre stelle chiamato PSR J0337+1715, situato a circa 4, 200 anni luce dalla Terra. Questo sistema contiene una stella di neutroni in un'orbita di 1,6 giorni con una nana bianca, e la coppia in un'orbita di 327 giorni con un'altra nana bianca più lontana.
"Questo è un sistema stellare unico, ", ha affermato Ryan Lynch del Green Bank Observatory in West Virginia, e coautore della carta. "Non ne conosciamo altri simili. Questo lo rende un laboratorio unico nel suo genere per mettere alla prova le teorie di Einstein".
Dalla sua scoperta, il sistema triplo è stato osservato regolarmente dal GBT, il radiotelescopio di sintesi di Westerbork nei Paesi Bassi, e l'Osservatorio di Arecibo della NSF a Porto Rico. Il GBT ha trascorso più di 400 ore osservando questo sistema, prendendo dati e calcolando come ogni oggetto si muove in relazione all'altro.
In che modo questi telescopi sono stati in grado di studiare questo sistema? Questa particolare stella di neutroni è in realtà una pulsar. Molte pulsar ruotano con una consistenza che rivaleggia con alcuni degli orologi atomici più precisi sulla Terra. "Essendo uno dei radiotelescopi più sensibili al mondo, il GBT è pronto a raccogliere questi deboli impulsi di onde radio per studiare la fisica estrema, " ha detto Lynch. La stella di neutroni in questo sistema pulsa (ruota) 366 volte al secondo.
Il Westerbork Synthesis Radio Telescope nei Paesi Bassi era uno dei tre telescopi utilizzati per studiare il sistema a tre stelle, insieme al Green Bank Telescope in West Virginia e all'Osservatorio di Arecibo a Porto Rico. Attestazione:ASTRON
"Possiamo spiegare ogni singolo impulso della stella di neutroni da quando abbiamo iniziato le nostre osservazioni, ", ha affermato Anne Archibald dell'Università di Amsterdam e dell'Istituto olandese di radioastronomia e principale autrice dell'articolo. "Possiamo dire la sua posizione entro poche centinaia di metri. Questa è una traccia molto precisa di dove è stata e dove sta andando la stella di neutroni".
Se le alternative all'immagine della gravità di Einstein fossero corrette, quindi la stella di neutroni e la nana bianca interna cadrebbero ciascuna in modo diverso verso la nana bianca esterna. "La nana bianca interna non è massiccia o compatta come la stella di neutroni, e quindi ha meno energia di legame gravitazionale, " ha detto Scott Ransom, un astronomo del National Radio Astronomy Observatory di Charlottesville, Virginia, e coautore del documento.
Attraverso osservazioni meticolose e calcoli accurati, il team è stato in grado di testare la gravità del sistema utilizzando solo gli impulsi della stella di neutroni. Hanno scoperto che qualsiasi differenza di accelerazione tra la stella di neutroni e la nana bianca interna è troppo piccola per essere rilevata.
"Se c'è una differenza, non è più di tre parti su un milione, ", ha affermato la coautrice Nina Gusinskaia dell'Università di Amsterdam. Ciò pone gravi limiti a qualsiasi teoria alternativa alla relatività generale.
Questo risultato è dieci volte più preciso del precedente miglior test di gravità, rendendo l'evidenza del Principio di Equivalenza Forte di Einstein molto più forte. "Siamo sempre alla ricerca di misurazioni migliori in posti nuovi, quindi la nostra ricerca per conoscere nuove frontiere nel nostro Universo continuerà, "concluse Ransom.
