Una collaborazione internazionale di scienziati ha registrato la conferma più accurata fino ad oggi per uno dei capisaldi della teoria della relatività generale di Einstein, "l'universalità della caduta libera".

La nuova ricerca mostra che la teoria vale per oggetti fortemente autogravitanti come le stelle di neutroni. Usando un radiotelescopio, gli scienziati possono osservare molto accuratamente 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. In particolare, il team ha analizzato i segnali di una pulsar denominata "PSR J0337+1715" registrati dal grande radiotelescopio di Nançay, situato nel cuore della Sologne (Francia).

L'universalità del principio della caduta libera afferma che due corpi caduti in un campo gravitazionale subiscono la stessa accelerazione indipendentemente dalla loro composizione. Ciò fu dimostrato per primo da Galileo che notoriamente avrebbe fatto cadere oggetti di massa diversa dalla cima della torre di Pisa per verificare che entrambi raggiungessero il suolo contemporaneamente.

Questo principio è anche al centro della teoria della relatività generale di Einstein. Però, alcuni accenni come l'incoerenza tra meccanica quantistica e relatività generale, o l'enigma del dominio della materia oscura e dell'energia oscura nella composizione dell'Universo, hanno portato molti fisici a credere che la relatività generale potrebbe non essere, Dopotutto, la teoria ultima della gravità.

Le osservazioni di Pulsar J0337+1715, che è una stella di neutroni con un nucleo stellare 1,44 volte la massa del Sole che è collassata in una sfera di soli 25 km di diametro, mostra che orbita intorno a due nane bianche che hanno un campo gravitazionale molto più debole. Le scoperte, pubblicato oggi sulla rivista Astronomia e Astrofisica , dimostrare che l'universalità del principio di caduta libera è corretto.

Il dottor Guillaume Voisin dell'Università di Manchester, che ha guidato la ricerca, ha dichiarato:"La pulsar emette un raggio di onde radio che attraversa lo spazio. Ad ogni turno questo crea un lampo di luce radio che viene registrato con elevata precisione dal radiotelescopio di Nançay. Mentre la pulsar si muove sulla sua orbita, l'orario di arrivo della luce sulla Terra viene spostato. È la misurazione accurata e la modellazione matematica, fino a un nanosecondo di precisione, di questi tempi di arrivo che permette agli scienziati di inferire con squisita precisione il moto della stella.

"Soprattutto, è la configurazione unica di quel sistema, affine al sistema Terra-Luna-Sole con la presenza di una seconda compagna (che interpreta il ruolo del Sole) verso la quale 'cadono' (orbita) le altre due stelle che ha permesso di eseguire una versione stellare del famoso esperimento di Galileo dal Pisa Torre. Due corpi di diversa composizione cadono con la stessa accelerazione nel campo gravitazionale di un terzo."

"La pulsar emette un raggio di onde radio che attraversa lo spazio. Ad ogni turno questo crea un lampo di luce radio che viene registrato con alta precisione dal radiotelescopio di Nançay. Mentre la pulsar si muove sulla sua orbita, l'orario di arrivo della luce sulla Terra viene spostato. È la misurazione accurata e la modellazione matematica, fino a un nanosecondo di precisione, di questi tempi di arrivo che permette agli scienziati di inferire con squisita precisione il moto della stella, " dice il dottor Guillaume Voisin.

Le misurazioni sono state registrate da un team collaborativo dell'Università di Manchester, Osservatorio di Parigi-PSL, francese CNRS e LPC2E (Orléans, Francia), e l'Istituto Max Planck per la radioastronomia. La pulsar orbita attorno a due nane bianche, uno dei quali orbita attorno alla pulsar in soli 1,6 giorni ad una distanza circa 10 volte più vicina alla pulsar di quanto il pianeta Mercurio sia dal Sole. Questo sistema binario, un po' come la Terra e la Luna nel sistema solare, orbite con una terza stella, una nana bianca del 40% della massa del Sole, situato leggermente oltre la distanza che separa il sistema Terra-Luna dal Sole.

Nel sistema solare, l'esperimento di raggio laser-lunare ha permesso di verificare che sia la Luna che la Terra sono influenzate in modo identico dal campo gravitazionale del Sole, come previsto dall'universalità della caduta libera (il moto orbitale è una forma di caduta libera). Però, è noto che alcune deviazioni dall'universalità potrebbero verificarsi solo per oggetti fortemente autogravitanti, come le stelle di neutroni, ovvero oggetti la cui massa è significativamente costituita dalla propria energia gravitazionale grazie alla famosa relazione di Einstein E=mc2. Il nuovo esperimento pulsar condotto dal team colma il vuoto lasciato dai test del sistema solare in cui nessun oggetto è fortemente autogravitante, nemmeno il Sole.

Il team ha dimostrato che il campo gravitazionale estremo della pulsar non può differire di più di 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 gravitazionale, supportando così ulteriormente la teoria della relatività generale di Einstein.

La carta, "Un test migliorato del principio di equivalenza forte con la pulsar in un sistema a tre stelle, " di Voisin et al, è pubblicato in Astronomia e Astrofisica .