Osservata una stella che distorce il tessuto spazio-tempo

Una delle previsioni della teoria generale della relatività di Einstein è che qualsiasi corpo che gira trascina con sé il tessuto stesso dello spazio-tempo nelle sue vicinanze. Questo è noto come “frame-dragging”.

Nella vita di tutti i giorni, il frame-dragging è sia inosservabile che insignificante, poiché l’effetto è così ridicolmente piccolo. Il rilevamento del frame-dragging causato dall’intera rotazione terrestre richiede satelliti come la Gravity Probe B da 750 milioni di dollari degli USA e il rilevamento di cambiamenti angolari nei giroscopi equivalenti a un solo grado ogni 100.000 anni circa.

Fortunatamente per noi, l’Universo contiene molti laboratori gravitazionali naturali dove i fisici possono osservare le previsioni di Einstein al lavoro con dettagli eccellenti. La ricerca del nostro team, pubblicata oggi su Science, rivela prove del frame-dragging su una scala molto più evidente, usando un radiotelescopio e una coppia unica di stelle compatte che si susseguono a velocità vertiginosa.

Il movimento di queste stelle avrebbe lasciato perplessi gli astronomi ai tempi di Newton, poiché si muovevano chiaramente in uno spazio-tempo deformato e richiedevano la teoria della relatività generale di Einstein per spiegare le loro traiettorie.

La relatività generale è il fondamento della moderna teoria gravitazionale. Spiega il movimento preciso delle stelle, dei pianeti e dei satelliti e persino il flusso del tempo. Una delle sue previsioni meno note è che i corpi che ruotano trascinano lo spazio-tempo con loro. Più un oggetto gira, più è massiccio e più potente è la resistenza.

Un tipo di oggetto per il quale questo è molto rilevante è chiamato nana bianca. Queste sono i resti rimanenti delle stelle morte dotate di una massa molte volte più grande di quella del nostro Sole, che hanno esaurito il loro combustibile a idrogeno. Ciò che rimane è di dimensioni simili alla Terra ma centinaia di migliaia di volte più massicce. Le nane bianche possono anche girare molto rapidamente, ruotando ogni minuto o due, anziché ogni 24 ore come fa la Terra.

Il frame-dragging causato da una nana bianca sarebbe circa 100 milioni di volte più potente di quello terrestre e ovviamente non possiamo volare su una nana bianca e lanciare satelliti attorno ad essa. Fortunatamente la natura è gentile con gli astronomi e ha il suo modo di farci osservare questi fenomeni attraverso le stelle chiamate pulsar.

Venti anni fa, il radiotelescopio Parkes di CSIRO, ha scoperto una coppia di stelle composta da una nana bianca (circa la dimensione della Terra ma circa 300.000 volte più pesante) e una radio pulsar (delle dimensioni di una città ma 400.000 volte più pesante).

Rispetto alle nane bianche, le pulsar fanno parte di un’altra lega. Non sono fatti di atomi convenzionali, ma di neutroni messi insieme strettamente, rendendoli incredibilmente densi. Inoltre, la pulsar nel nostro studio gira 150 volte al minuto.

Ciò significa che, 150 volte al minuto, un “lighthouse beam” di onde radio emesse da questa pulsar supera il nostro punto di osservazione qui sulla Terra. Possiamo usarlo per mappare il percorso della pulsar mentre orbita attorno alla nana bianca, temporizzando quando il suo impulso arriva al nostro telescopio e conoscendo la velocità della luce. Questo metodo ha rivelato che le due stelle orbitano l’una attorno all’altra in meno di 5 ore.

Questa coppia, ufficialmente chiamata PSR J1141-6545, è un laboratorio gravitazionale ideale. Dal 2001 abbiamo camminato tre volte all’anno su Parkes per mappare l’orbita di questo sistema, che mostra una moltitudine di effetti gravitazionali einsteiniani.

Mappare l’evoluzione delle orbite non è per gli impazienti, ma le nostre misurazioni sono ridicolmente precise. Sebbene il PSR J1141-6545 sia a diverse centinaia di quadrilioni di chilometri (un quadrilione è un milione di miliardi), sappiamo che la pulsar ruota 2,5387230404 volte al secondo e che la sua orbita sta precipitando nello spazio. Ciò significa che il piano della sua orbita non è fisso, ma invece ruota lentamente.

Come si è formato questo sistema?

Quando nascono coppie di stelle, la più massiccia muore per prima, creando spesso una nana bianca. Prima che la seconda stella muoia trasferisce la materia alla sua compagna. Un disco si forma mentre questo materiale cade verso la nana bianca e nel corso di decine di migliaia di anni fa rivivere la nana bianca, fino a quando non ruota ogni pochi minuti.

In rari casi come questo, la seconda stella può quindi esplodere in una supernova, lasciandosi dietro una pulsar. La nana bianca in rapida rotazione trascina con sé lo spazio-tempo, facendo inclinare il piano orbitale della pulsar mentre viene trascinato. Questa inclinazione è ciò che abbiamo osservato attraverso la nostra mappatura paziente dell’orbita della pulsar.

Lo stesso Einstein pensava che molte delle sue previsioni sullo spazio e sul tempo non sarebbero mai state osservabili. Ma gli ultimi anni hanno visto una rivoluzione nell’astrofisica estrema, tra cui la scoperta delle onde gravitazionali e l’ imaging di un’ombra del buco nero con una rete mondiale di telescopi. Queste scoperte sono state fatte da strutture da miliardi di dollari.

Fortunatamente c’è ancora un ruolo nell’esplorazione della relatività generale per i radiotelescopi di 50 anni come quello di Parkes e per le campagne delle nuove generazioni di laureati.