Ad oltre un secolo dalla pubblicazione della teoria della relatività generale di Albert Einstein, gli scienziati di tutto il mondo proseguono nei loro sforzi per trovarne eventuali punti deboli. Un team internazionale composto da ricercatori di dieci paesi ha provato a mettere in crisi la teoria di Einstein utilizzando un sistema stellare unico formato da due “radio pulsar”. Il coordinatore del team internazionale di ricerca, il professor Michael Kramer del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) di Bonn, in Germania, spiega: “Abbiamo studiato un sistema di stelle compatte, che è un laboratorio senza rivali per testare le teorie della gravità in presenza di campi gravitazionali forti. Con nostra grande gioia abbiamo potuto testare una pietra angolare della teoria di Einstein, l'energia emessa sotto forma di emissione di onde gravitazionali, con una precisione 25 volte migliore rispetto alla pulsar di Hulse e Taylor (che permise loro di vincere il premio Nobel nel 1993) e mille volte meglio di quanto fatto finora dai rivelatori di onde gravitazionali”.

Grazie a questo nuovo studio alcuni degli effetti conseguenti la teoria di Einstein sono stati osservati per la prima volta in assoluto. La prof.ssa Ingrid Stairs dell'Università della British Columbia a Vancouver ne da un esempio: “ Abbiamo visto che le onde radio emesse da una delle due pulsar non solo vengono ritardate a causa della forte curvatura dello spaziotempo attorno alla compagna, ma anche che vengono deflesse di un piccolo angolo di 0,04 gradi. Mai prima d'ora un simile esperimento era stato condotto in presenza di una curvatura dello spaziotempo così elevata".

Questo sistema, noto come “doppia pulsar”, è finora un unicum nel mondo della ricerca. Fu l’astrofisica Marta Burgay, a scoprirlo nell’ormai lontano 2003 in occasione di alcune osservazioni con il telescopio di Parkes in Australia. Burgay, ricercatrice presso l’INAF-Osservatorio Astronomico di Cagliari, continua a fare parte del team: “ E’ stata una scoperta che da subito prometteva molto e che continua a produrre scienza di primaria importanza. Le due pulsar orbitano l'una intorno all'altra in soli 147 minuti con velocità di circa 1 milione di chilometri orari. Una ruota molto velocemente, circa 44 volte al secondo. La compagna, più giovane, ha un periodo di rotazione di 2,8 secondi. Il loro movimento reciproco costituisce un insostituibile laboratorio di gravità. E’ una grande soddisfazione essere da quasi 20 anni in prima linea nell’usare queste due pulsar per interrogare Einstein e vedere che la sua teoria risponde sempre alla grande “.

Il professor Dick Manchester del CSIRO (Australia) aggiunge: “Un movimento orbitale così rapido di oggetti compatti come questi - sono circa il 30% più massicci del Sole, ma con un diametro di solo 24 km - ci consente di testare molte previsioni della relatività generale - ben sette in totale! Oltre alle onde gravitazionali e alla propagazione della luce, la nostra precisione ci consente anche di misurare l'effetto della dilatazione del tempo che fa rallentare gli orologi nei campi gravitazionali. Dobbiamo anche prendere in considerazione la famosa equazione di Einstein E = mc² quando si considerano gli effetti sul moto orbitale dovuti all’energia elettromagnetica emessa dalla pulsar in più rapida rotazione. L’energia associata a questa radiazione corrisponde a una perdita di massa di 8 milioni di tonnellate al secondo! Anche se sembra molto, è solo una piccola frazione - 3 parti su mille miliardi di miliardi (!) - della massa della pulsar”.

I ricercatori hanno anche misurato - con una precisione di una parte su un milione (!) - che l'orbita cambia orientamento, un effetto relativistico già ben noto anche nell'orbita di Mercurio, ma qui 140 mila volte più forte. Si sono resi conto che a questo livello di precisione va anche considerato l'impatto della rotazione della pulsar sullo spaziotempo circostante, che viene "trascinato" con la pulsar rotante. Il dottor Norbert Wex dell'MPIfR, un altro autore principale dello studio, spiega: “I fisici chiamano questo effetto Lense-Thirring o frame-dragging. Nel nostro esperimento significa che dobbiamo considerare la struttura interna di una pulsar, ossia il suo essere una stella di neutroni. Quindi, le nostre misurazioni ci consentono, per la prima volta, di utilizzare il tracciamento di precisione delle rotazioni di una stella di neutroni, una tecnica che chiamiamo timing, per fornire vincoli sulle dimensioni della pulsar più velocemente rotante delle due presenti nel sistema ».

La tecnica del timing delle pulsar è stata anche combinata con attente misurazioni interferometriche del sistema ai fini di determinare la sua distanza grazie a mappe radio ad altissima risoluzione. Il professor Adam Deller, della Swinburne University in Australia e responsabile di questa parte dell'esperimento, sottolinea: “È la combinazione di diverse tecniche di osservazione complementari che aggiunge valore estremo all'esperimento. In passato studi simili erano spesso ostacolati dalla limitata conoscenza della distanza di tali sistemi”. Non è ora più il caso per la pulsar doppia, per la quale, oltre allo studio temporale della pulsar e alla interferometria radio (combinando le quali si ottiene una distanza di circa 2400 anni luce), sono state attentamente prese in considerazione anche le informazioni ottenute dagli effetti dovuti al mezzo interstellare che si interpone fra la pulsar e la Terra. Il professor Bill Coles dell'Università della California di San Diego concorda: “Abbiamo raccolto tutte le informazioni possibili sul sistema e abbiamo ricavato un'immagine perfettamente coerente, che coinvolge la fisica di molte aree diverse, come la fisica nucleare, la gravità, il mezzo interstellare, la fisica del plasma e altro ancora. Questo è davvero straordinario.”

Michael Kramer precisa: “Abbiamo raggiunto un livello di precisione senza precedenti. Esperimenti futuri con telescopi più grandi andranno ancora oltre. Il nostro lavoro ha mostrato il modo in cui tali esperimenti devono essere condotti e quali effetti sottili devono ora essere presi in considerazione. E, forse, troveremo una deviazione dalla relatività generale un giorno…”. Andrea Possenti, primo ricercatore presso INAF-Osservatorio Astronomico di Cagliari e anch’esso coautore dello studio, conclude “Questo lavoro mostra che in natura, l’emissione di onde gravitazionali si comporta, almeno al 99,99%, come predetto dalla relatività generale. L'osservazione futura di qualsiasi deviazione da tale teoria costituirebbe d’altro canto un passo avanti fondamentale verso una teoria unificata per tutta la fisica dell’Universo, una teoria cioè capace di combinare i fenomeni legati alla gravità con quelli legati alla fisica quantistica “

Informazioni aggiuntive

Le pulsar radio, stelle di neutroni altamente magnetizzate che ruotano rapidamente, sono oggetti affascinanti. Con una massa maggiore di quella del nostro Sole, ma con solo circa 24 km di diametro, questi oggetti incredibilmente densi producono fasci di emissione radio che spazzano il cielo come un faro. Dalla loro scoperta da parte di Jocelyn Bell-Burnell e Antony Hewish nel 1967, sono state trovate più di 3000 pulsar. Le pulsar forniscono una grande messe di informazioni legate alle fisica fondamentale (come le teorie della gravità, la fisica nucleare, l’elettrodinamica, la fisica dei plasmi) e all’astrofisica: il potenziale gravitazionale e il campo magnetico galattico, il mezzo interstellare, la meccanica celeste, la planetologia e persino la cosmologia. Consentono in particolare i test più accurati per le teorie della gravità all'interno di campi gravitazionali estremamente forti.

La doppia pulsar (PSR J0737-3039 A/B il suo nome ufficiale) è stata scoperta nel 2003, nella direzione della costellazione della Poppa, a sinistra della costellazione del Cane Minore, più nota per ospitare Sirio, la stella più brillante del cielo. L’effetto della precessione geodetica dell’asse di rotazione (un’altro effetto della Relatività Generale, studiato in precedenti pubblicazioni) ha fatto sì che gli impulso radio emessi dalla pulsar più lentamente rotante sparissero alla nostra vista a partire dal 2008: la data per la loro riapparizione dipende da alcuni dettagli tuttora ignoti sulla forma del fascio di emissione e quindi potrebbe avvenire fra qualche mese oppure fra qualche anno.

Per le osservazioni sono stati utilizzati sette strumenti di alta sensibilità. Si tratta del telescopio di Parkes (oggi noto come Murriyang) in Australia (osservazioni centrate intorno a 700 MHz, 1400 MHz e 3100 MHz), del Green Bank Telescope negli Stati Uniti (osservazioni a 820 MHz e 1400/1500 MHz), del Radio Telescope di Nançay in Francia (osservazioni in due bande con frequenze centrali rispettivamente di 1484 MHz e 2520 MHz), del telescopio di Effelsberg in Germania (due diversi sistemi di ricezione attorno alla lunghezza d’onda di 20 cm), del Lovell Radio Telescope nel Regno Unito (con una gamma di frequenza di 1300-1700 MHz) e del Westerbork Synthesis Radio Telescope nei Paesi Bassi (osservazioni a 334 MHz). Inoltre, sono state effettuate osservazioni con il Very Long Baseline Array (VLBA), con dieci antenne distribuite negli Stati Uniti (operanti a 1560 MHz).