La teoria della relatività generale di Einstein ha resistito a 100 anni di esame sperimentale. Però, questi test non vincolano quanto i fortissimi campi gravitazionali prodotti dalla fusione di stelle di neutroni obbediscano a questa teoria. Nuovo, tecniche più sofisticate possono ora cercare deviazioni dalla relatività generale con una sensibilità senza precedenti. Gli scienziati dei Max Planck Institutes for Gravitational Physics e for Radio Astronomy hanno studiato due strumenti principali per testare il regime di gravità del campo forte - la tempistica delle pulsar e le osservazioni delle onde gravitazionali - e hanno dimostrato come la combinazione di questi metodi può mettere alla luce teorie alternative della relatività generale test.

Solo recentemente, le stelle di neutroni sono state osservate attraverso le onde gravitazionali. Il 17 agosto 2017, la rete di rivelatori LIGO-Virgo ha misurato le onde gravitazionali dalla fusione di due stelle di neutroni. Questi oggetti esotici sono fatti di materia incredibilmente densa; una tipica stella di neutroni pesa fino al doppio del nostro Sole ma ha un diametro di soli 20 chilometri. Quest'anno ricorre il 50° anniversario della prima osservazione di stelle di neutroni, come pulsar. La natura precisa di tale materia estremamente densa è rimasta un mistero per decenni.

Gli autori hanno studiato le teorie della gravità in cui i forti campi gravitazionali all'interno delle stelle di neutroni differiscono da quelli previsti dalla relatività generale. Questa deviazione di forte campo fa sì che i sistemi binari irradino energia e si uniscano più rapidamente rispetto alla relatività generale, un comportamento che dovrebbe essere visto nelle osservazioni delle stelle di neutroni.

"L'accelerazione gravitazionale sulla superficie di una stella di neutroni è circa 2×1011 volte quella della Terra, il che le rende oggetti eccellenti per studiare la relatività generale di Einstein e le teorie alternative nel regime del campo forte, " spiega il dottor Lijing Shao, autore principale dello studio. "In un'indagine sistematica con le tecnologie di temporizzazione delle pulsar, siamo stati in grado di porre dei vincoli a una classe di teorie alternative della gravità mostrando per la prima volta in dettaglio come esse dipendano dalla fisica della materia estremamente densa che contengono." Questa è codificata come "equazione di stato" delle stelle di neutroni che è ancora incerto.

Shao, che era un postdoc presso il Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) quando ha lavorato al progetto e ha scritto il documento, si è trasferito al Max Planck Institute for Radio Astronomy nel settembre 2017. Lui e i suoi colleghi hanno studiato undici possibili equazioni di stato per cinque sistemi binario-pulsar, ciascuno di essi una combinazione di una stella di neutroni e una nana bianca. Hanno scoperto che gli attuali migliori vincoli sulla gravità modificata dalle pulsar binarie hanno lacune che i rilevatori di onde gravitazionali potrebbero riempire. "Durante il secondo ciclo di osservazione LIGO e Virgo hanno già dimostrato di essere abbastanza sensibili da rilevare stelle binarie di neutroni, e la loro sensibilità migliorerà ulteriormente nei prossimi anni quando sarà raggiunta la configurazione Advanced LIGO e Virgo, " dice il dottorando Noah Sennett, secondo autore del saggio. "I rivelatori LIGO-Virgo potrebbero presto scoprire sistemi binari di stelle di neutroni con masse adeguate che potrebbero migliorare i vincoli imposti dai test binari-pulsar per determinate equazioni di stato e quindi mettere la relatività generale di Einstein e le teorie alternative a un test qualitativamente nuovo, "dice la professoressa Alessandra Buonanno, direttore della divisione di Relatività Astrofisica e Cosmologica presso l'AEI di Potsdam e coautore del paper.

I futuri rivelatori di onde gravitazionali come l'Einstein Telescope miglioreranno ulteriormente questi test e alla fine colmeranno il divario negli attuali vincoli. Prove complementari di gravità a campo forte diventeranno una realtà nel prossimo futuro.