Che cosa Albert Einstein, il Sistema di Posizionamento Globale (GPS), e un paio di stelle 200, 000 trilioni di miglia dalla Terra hanno in comune?

La risposta è un effetto della Teoria della Relatività Generale di Einstein chiamato "redshift gravitazionale, " dove la luce viene spostata su colori più rossi a causa della gravità. Utilizzando l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, gli astronomi hanno scoperto il fenomeno in due stelle che orbitano l'una intorno all'altra nella nostra galassia a circa 29, 000 anni luce (200, 000 trilioni di miglia) di distanza dalla Terra. Mentre queste stelle sono molto lontane, i redshift gravitazionali hanno impatti tangibili sulla vita moderna, poiché scienziati e ingegneri devono tenerne conto per consentire posizioni precise per il GPS.

Mentre gli scienziati hanno trovato prove incontrovertibili di spostamenti verso il rosso gravitazionali nel nostro sistema solare, è stato difficile osservarli in oggetti più distanti attraverso lo spazio. I nuovi risultati di Chandra forniscono prove convincenti degli effetti del redshift gravitazionale in gioco in una nuova ambientazione cosmica.

L'intrigante sistema noto come 4U 1916-053 contiene due stelle in un'orbita notevolmente ravvicinata. Uno è il nucleo di una stella a cui sono stati strappati i suoi strati esterni, lasciando una stella molto più densa del Sole. L'altra è una stella di neutroni, un oggetto ancora più denso creato quando una stella massiccia collassa in un'esplosione di supernova. La stella di neutroni (grigia) è mostrata nell'impressione di questo artista al centro di un disco di gas caldo allontanato dalla sua compagna (stella bianca a sinistra).

Queste due stelle compatte sono solo circa 215, 000 miglia di distanza, all'incirca la distanza tra la Terra e la Luna. Mentre la Luna orbita intorno al nostro pianeta una volta al mese, la densa stella compagna in 4U 1916-053 gira intorno alla stella di neutroni e completa un'orbita completa in soli 50 minuti.

Nel nuovo lavoro su 4U 1916-053, il team ha analizzato gli spettri di raggi X, ovvero la quantità di raggi X a diverse lunghezze d'onda, da Chandra. Hanno trovato la caratteristica firma dell'assorbimento della luce dei raggi X da parte di ferro e silicio negli spettri. In tre osservazioni separate con Chandra, i dati mostrano un forte calo della quantità rilevata di raggi X vicino alle lunghezze d'onda in cui ci si aspetta che gli atomi di ferro o silicio assorbano i raggi X. Uno degli spettri che mostra l'assorbimento da parte del ferro, i cali a sinistra e a destra, è incluso nel grafico principale. Un grafico aggiuntivo mostra uno spettro con assorbimento da silicio. In entrambi gli spettri i dati sono mostrati in grigio e un modello di computer in rosso.

Però, le lunghezze d'onda di queste caratteristiche firme di ferro e silicio sono state spostate su più lunghe, o lunghezze d'onda più rosse rispetto ai valori di laboratorio trovati qui sulla Terra (mostrati con il blu, linea verticale per ogni segnatura di assorbimento). I ricercatori hanno scoperto che lo spostamento delle caratteristiche di assorbimento era lo stesso in ciascuna delle tre osservazioni di Chandra, e che era troppo grande per essere spiegato allontanandosi da noi. Invece hanno concluso che è stato causato dal redshift gravitazionale.

Come si collega alla Relatività Generale e al GPS? Come previsto dalla teoria di Einstein, gli orologi sotto la forza di gravità funzionano a una velocità inferiore rispetto agli orologi visti da una regione lontana che sperimenta una gravità più debole. Ciò significa che gli orologi sulla Terra osservati dai satelliti in orbita funzionano a un ritmo più lento. Per avere l'alta precisione necessaria per il GPS, questo effetto deve essere preso in considerazione o ci saranno piccole differenze di tempo che si sommano rapidamente, calcolo di posizioni imprecise.

Tutti i tipi di luce, compresi i raggi X, risentono anche della gravità. Un'analogia è quella di una persona che sale su una scala mobile che sta scendendo. Mentre lo fanno, la persona perde più energia che se la scala mobile fosse ferma o in salita. La forza di gravità ha un effetto simile sulla luce, dove una perdita di energia dà una frequenza più bassa. Perché la luce nel vuoto viaggia sempre alla stessa velocità, la perdita di energia e frequenza più bassa significa che la luce, comprese le firme di ferro e silicio, passare a lunghezze d'onda maggiori.

Questa è la prima prova evidente che le firme di assorbimento vengono spostate a lunghezze d'onda più lunghe dalla gravità in una coppia di stelle che ha una stella di neutroni o un buco nero. Una forte evidenza di spostamenti verso il rosso gravitazionali nell'assorbimento è stata precedentemente osservata dalla superficie delle nane bianche, con variazioni di lunghezza d'onda in genere solo il 15% circa di quello per 4U 1916-053.

Gli scienziati affermano che è probabile che un'atmosfera gassosa che ricopre il disco vicino alla stella di neutroni (mostrata in blu) abbia assorbito i raggi X, producendo questi risultati. (Questa atmosfera non è correlata al rigonfiamento di gas rosso nella parte esterna del disco che blocca la luce dalla parte interna del disco una volta per orbita.) La dimensione dello spostamento negli spettri ha permesso al team di calcolare fino a che punto questa atmosfera è lontano dalla stella di neutroni, usando la Relatività Generale e assumendo una massa standard per la stella di neutroni. Hanno scoperto che l'atmosfera si trova 1, 500 miglia dalla stella di neutroni, circa la metà della distanza da Los Angeles a New York ed equivalente a solo lo 0,7% della distanza dalla stella di neutroni alla compagna. Probabilmente si estende per diverse centinaia di miglia dalla stella di neutroni.

In due dei tre spettri ci sono anche prove di firme di assorbimento che sono state spostate a lunghezze d'onda ancora più rosse, corrispondente a una distanza di solo lo 0,04% della distanza dalla stella di neutroni alla compagna. Però, queste firme vengono rilevate con meno sicurezza di quelle più lontane dalla stella di neutroni.

Agli scienziati è stato concesso un ulteriore tempo di osservazione di Chandra nel prossimo anno per studiare questo sistema in modo più dettagliato.

Un documento che descrive questi risultati è stato pubblicato il 10 agosto, Numero 2020 di The Giornale Astrofisico .