La collaborazione GRAVITY, un team di ricercatori di diversi rinomati istituti tra cui il Max Planck Institute, Osservatorio LESIA di Parigi e Osservatorio Europeo Australe, ha recentemente testato parte del principio di equivalenza di Einstein, vale a dire l'invarianza di posizione locale (LPI), vicino al buco nero supermassiccio centro galattico. Il loro studio, pubblicato su Physics Review Letters (PRL), ha studiato la dipendenza di diverse transizioni atomiche dal potenziale gravitazionale al fine di fornire un limite superiore alle violazioni di LPI.

"La relatività generale e in generale tutte le teorie metriche della gravità si basano sull'equivalenza di massa inerziale e massa gravitazionale, formalizzata nel principio di equivalenza di Einstein, "Maryam Habibi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "La relatività generale è la migliore teoria della gravità che abbiamo, però, ci sono ancora molti enigmi senza risposta che sono strettamente legati alla nostra incompleta comprensione della gravità".

Il principio di equivalenza, una parte cruciale della teoria della relatività generale di Einstein, afferma che la forza gravitazionale sperimentata in ogni piccola regione dello spazio-tempo è la stessa della pseudo-forza sperimentata da un osservatore in un sistema di riferimento accelerato. Testare questo principio è di fondamentale importanza, in quanto potrebbe portare a osservazioni interessanti e ampliare la nostra attuale comprensione della gravità.

"Il principio di equivalenza di Einstein si compone di tre principi fondamentali, " Habibi ha spiegato. "Uno di loro, chiamata invarianza di posizione locale (LPI), afferma che le misurazioni non gravitazionali dovrebbero essere indipendenti dalla posizione nello spazio tempo (caratterizzata dal potenziale gravitazionale) in cui vengono eseguite. La parte principale del nostro studio si concentra sulla verifica del principio LPI".

Le osservazioni passate suggeriscono che la maggior parte, se non tutto, le galassie massicce contengono un buco nero supermassiccio, che si trova tipicamente al centro di una galassia. La massa del buco nero supermassiccio del centro galattico della Via Lattea è 4 milioni di volte maggiore di quella del sole. Genera così il campo gravitazionale più forte della galassia, il che lo rende il luogo ideale per cacciare fenomeni inesplorati e testare i principi della relatività generale.

Stella S2, una delle stelle più luminose nella regione più interna della Via Lattea, ha il suo incontro più ravvicinato con il buco nero supermassiccio del centro galattico a una distanza di 16,3 ore luce. In altre parole, la stella impiega 16 anni per compiere un'orbita completa attorno al buco nero, che nelle scale temporali astronomiche è estremamente breve. S2 si muove dentro e fuori dal campo gravitazionale del buco nero, quindi il team di collaborazione GRAVITY ha deciso di usarlo per testare parte del principio di equivalenza di Einstein.

"Come era previsto, e abbiamo mostrato in un precedente studio pubblicato nel giugno 2018, durante il massimo avvicinamento della stella S2 al buco nero osserviamo il 'redshift gravitazionale' alla luce della stella, Habibi ha spiegato. "Il redshift gravitazionale si verifica perché l'intensa gravità sulla superficie della stella rallenta la vibrazione delle onde luminose, allungandoli e facendo apparire la stella più rossa del normale dalla Terra".

Per testare il principio LPI di Einstein, i ricercatori hanno utilizzato due diversi tipi di atomi nell'atmosfera stellare di S2:atomi di idrogeno ed elio. Il principio LPI afferma che il redshift gravitazionale visto in una stella che vola dentro e fuori un forte campo gravitazionale dipende solo dal potenziale gravitazionale e non si basa su altri parametri, come la struttura interna dell'atomo.

"Abbiamo misurato il cambiamento di frequenza della luce da questi atomi che si muovono attraverso un potenziale variabile, " Habibi ha detto. "La vibrazione delle onde luminose è stata misurata adattando la velocità della linea di vista dello spettro dell'S2 utilizzando separatamente le linee spettrali dell'idrogeno e dell'elio. Misurando la differenza di variazione di frequenza per entrambi gli atomi siamo stati in grado di fornire un limite superiore alla violazione dell'LPI durante il passaggio pericentrico. Se c'è stata un'evidente violazione della LPI, avremmo dovuto misurare vibrazioni molto diverse delle onde luminose, dalle linee dell'elio e dell'idrogeno."

Il principio di equivalenza e la relatività generale in generale sono solo teorie, quindi devono essere testati per accertare la loro validità. Finora, la maggior parte dei ricercatori ha effettuato test sulla Terra e nel sistema solare.

Però, queste teorie dovrebbero essere testate anche in scenari estremi, in quanto ciò può determinare se sono ancora validi e portare a prove più conclusive. Tali test potrebbero escludere alcuni dei principi che modellano la nostra attuale comprensione della gravità o identificare violazioni della teoria della relatività generale.

"Testare il principio di equivalenza in tutti i diversi regimi è importante poiché diverse teorie alternative della gravitazione prevedono una sua violazione in condizioni estreme, "Felix Widmann, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Per me la scoperta più significativa del nostro studio è che siamo stati in grado di testare il principio di equivalenza in questo caso estremo:vicino a un buco nero supermassiccio che dista oltre 20mila anni luce. I limiti che poniamo a una violazione non sono ancora molto restrittivo, ma sono in un regime gravitazionale che prima era completamente non testato."

Habibi, Widmann e i loro colleghi sono stati tra i primi a testare parte del principio di equivalenza vicino al buco nero supermassiccio centrale della Via Lattea. Il loro lavoro fornisce preziose informazioni sulla validità della relatività generale, in particolare il principio LPI.

"L'anno scorso è stato un successo eccezionale per la collaborazione GRAVITY, " disse Widmann. "Per la prima volta, abbiamo osservato effetti relativistici nell'orbita di una stella attorno a un buco nero supermassiccio e abbiamo usato questa stella per testare il principio di equivalenza. Abbiamo anche osservato materiale in orbita molto vicino al buco nero, un'altra osservazione che sarebbe stata impossibile senza GRAVITY. Però, questo è più un inizio che una fine per noi".

Con la stagione ottimale per l'osservazione del centro galattico proprio dietro l'angolo, i ricercatori della collaborazione GRAVITY continueranno a puntare i loro telescopi verso S2 e il buco nero supermassiccio del centro galattico. Secondo Widmann, il team potrebbe presto essere in grado di rilevare effetti relativistici più sottili nell'orbita di S2, che permetterà loro di testare ancora una volta la teoria della relatività generale. Nelle loro future osservazioni, i ricercatori sperano anche di vedere più attività di flare intorno al buco nero, in quanto ciò consentirebbe ulteriori studi volti ad ampliare la loro comprensione del buco nero del centro galattico della Via Lattea e dei buchi neri in generale.

"Con i futuri telescopi come l'Extremely Large Telescope, che ha uno specchio di 39 m di diametro, saremo in grado di eseguire esperimenti simili e cercare effetti 1 milione di volte più piccoli di possibili violazioni di LPI, rispetto a quanto è possibile oggi, " ha aggiunto Widmann. "Questo ci permetterà di testare l'altra parte del principio di equivalenza di Einstein, detto principio di equivalenza debole, che afferma che un oggetto in caduta libera gravitazionale è fisicamente equivalente a un oggetto che accelera con la stessa quantità di forza in assenza di gravità. Il centro galattico è un osservatorio unico e con GRAVITY e i futuri telescopi vogliamo imparare il più possibile su di esso".

© 2019 Science X Network