La costanza della gravità

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Studiando per oltre vent’anni il ticchettio di un orologio cosmico iper preciso, costituito da una lontana pulsar in orbita attorno a una compagna nana bianca, un gruppo di astronomi ha stabilito che anche là, a 3.750 anni luce dalla Terra, la costante di gravitazione è… universale.

Grazie all’osservazione protratta per oltre un ventennio di una lontana pulsar effettuata con il radiotelescopio Green Bank Telescope (GBT), in West Virginia, e la parabola da 300 metri dell’Osservatorio di Arecibo, in Porto Rico, un gruppo di astronomi ha prodotto la più precisa misurazione della costante di gravitazione universale (usualmente indicata con la lettera ‘G’) al di fuori del sistema solare. Il risultato, in via di pubblicazione su Astrophysical Journal, sostiene l’idea che nell’Universo la forza di gravità sia la stessa ovunque e in ogni momento.

Per compiere il loro importante e certosino lavoro, i ricercatori hanno “ascoltato” per un periodo di 21 anni il costante “ticchettio” di una pulsar nota come PSR J1713+0747, localizzata approssimativamente a 3.750 anni luce dalla Terra. Le pulsar, nella loro rapida rotazione, emettono dai poli magnetici fasci di onde radio, rilevabili dai radiotelescopi terrestri come impulsi. Siccome le pulsar sono straordinariamente dense e massicce ma relativamente piccole, attorno ai 20-25 chilometri di diametro, alcune di loro posso mantenere la frequenza di rotazione così costante da rivaleggiare con i migliori orologi atomici costruiti sulla Terra. Questo rende le pulsar eccezionali laboratori cosmici per studiare la natura di grandezze fondamentali come spazio, tempo e – appunto – forza di gravità.

Rappresentazione artistica della coppia di stelle, una pulsar e una nana bianca, utilizzata per lo studio ultra ventennale di come agisca la forza di gravità nel cosmo
Rappresentazione artistica della coppia di stelle, una pulsar e una nana bianca, utilizzata per lo studio ultra ventennale di come agisca la forza di gravità nel cosmo

Questa pulsar specifica è una delle più luminose e più stabili conosciute; inoltre, orbita attorno a una stella nana bianca compagna in circa 68 giorni. I due corpi condividono dunque un’orbita insolitamente ampia, una condizione perfetta ai fini dell’esperimento. Questa separazione è infatti essenziale per lo studio della gravità, perché l’effetto della radiazione gravitazionale – la conversione di velocità orbitale in onde gravitazionali, come predetto da Einstein – risulta assolutamente trascurabile sull’orbita della pulsar, e quindi sulla sua temporizzazione.

«La straordinaria costanza di questo residuo stellare offre una prova convincente che la forza fondamentale di gravità – il grande ‘G’ della fisica – rimane fissa nel cosmo», dice Zhu Weiwei, astronomo che ha firmato come autore principale il nuovo studio quando era all’Università della British Columbia, in Canada. «Questa è un’osservazione che ha importanti implicazioni per la cosmologia e per la comprensione di alcune delle forze fondamentali della fisica».

«La gravità è la forza che tiene assieme le stelle, i pianeti e le galassie», commenta Scott Ransom del National Radio Astronomy Observatory. «Anche se sulla Terra sembra essere costante e universale, esistono alcuni scenari cosmologici dove la gravità può cambiare nel tempo o può essere diversa in diversi angoli dell’Universo».

I dati rilevati durante questo esperimento sono coerenti con una costante gravitazionale invariabile in un sistema stellare lontano. Un precedente studio compiuto nel Sistema Solare, basato su precisissime misurazioni laser della distanza Terra-Luna, ha dimostrato la stessa coerenza nel tempo.

«L’insieme dei risultati vecchi e nuovi ci permette di escludere, con un buon livello di certezza, che ci possano essere nell’Universo momenti o luoghi “speciali”, dove si manifesti un comportamento gravitazionale diverso», aggiunge Ingrid Scale della University of British Columbia. «Le teorie sulla gravità diverse dalla relatività generale spesso introducono tali tipi di previsioni; il nostro studio ha posto nuovi limiti ai valori dei parametri che descrivono queste teorie».

«La costante gravitazionale è una costante fondamentale della fisica, quindi è importante mettere alla prova questo assunto di base utilizzando oggetti in luoghi, tempi e condizioni gravitazionali differenti», afferma in conclusione Zhu. «Il fatto che noi vediamo la gravità agire in un sistema stellare lontano alla stesso modo che nel Sistema Solare, aiuta a confermare che la costante di gravitazione è veramente universale».

Referenze:

  • Il preprint dello studio Testing Theories of Gravitation Using 21-Year Timing of Pulsar Binary J1713+0747, di W. W. Zhu, I. H. Stairs, P. B. Demorest, D. J. Nice, J. A. Ellis, S. M. Ransom, Z. Arzoumanian, K. Crowter, T. Dolch, R. D. Ferdman, E. Fonseca, M. E. Gonzalez, G. Jones, M. Jones, M. T. Lam, L. Levin, M. A. McLaughlin, T. Pennucci, K. Stovall, J. Swiggum