le onde gravitazionali

la prima conferma

A tutt’oggi, nonostante non sia ancora stata trovata una conferma diretta dell’esistenza delle onde gravitazionali, i ricercatori si appoggiano ad una solida prova indiretta dei loro effetti. Tale prova è stata fornita dall’osservazione di un sistema di tipo pulsar binario, formato da una pulsar radioemittente e da una stella di neutroni. Quest’oggetto è denominato PSR 1913+16; la sigla indica che il pulsar binario occupa nelle carte astronomiche del cielo la posizione individuata da ascensione retta 19 ore e 13 minuti e da declinazione +16 gradi, che lo localizza nella costellazione dell’Aquila.

I pulsar sono stelle piccolissime, in rapida rotazione ed estremamente dense, composte principalmente da neutroni; riguardo la loro origine si pensa che siano i resti di esplosioni di supernova. Queste stelle di neutroni in rotazione emettono un fascio radio altamente direzionale che spazza il cielo una sola volta per ogni rotazione della stella. Un osservatore riceve un impulso di radioonde ogni volta che il fascio radio della stella è diretto verso la Terra.

Sia il pulsar che la sua silenziosa compagna sono più massivi del sole e viaggiano a velocità vicine ai 400 km/s in orbite ravvicinate, ad una distanza minima circa uguale al raggio del Sole. Tali circostanze rendono il sistema del pulsar binario un laboratorio ideale per studi su campi gravitazionali intensi.

Anche se esistono altri sistemi binari stellari in orbite ravvicinate, è la presenza di un pulsar in questo particolare sistema che rende possibile una potente verifica dei fenomeni gravitazionali. Un pulsar è particolarmente adatto perché la frequenza di ripetizione degli impulsi è così esattamente stabile da farlo assomigliare ad un “orologio” di alta precisione. Misurando accuratamente i tempi di arrivo degli impulsi sulla Terra, si può impiegare la scansione temporale del pulsar per sondare finissimi effetti gravitazionali con una precisione che non è possibile in nessun altro sistema conosciuto.

Le misurazioni degli impulsi provenienti da PSR 1913+16, eseguite dal 1974, mostrano che il sistema sta perdendo energia orbitale ad un tasso prossimo a quello che ci si aspetta dalla radiazione gravitazionale. Le osservazioni hanno fornito perciò la prima prova determinante dell’esistenza delle onde gravitazionali, oltre ad un’ulteriore conferma della validità della relatività generale.

Gli scienziati, nel corso dell’osservazione del pulsar binario, sono giunti a descrivere la probabile storia del sistema. Il sistema nacque come una coppia di stelle ordinarie. Una delle due, molto più massiva dell’altra, terminò la sua riserva di combustibile nucleare molto prima dell’altra e collassò diventando un oggetto di diametro di una decina di chilometri ed i suoi strati esterni culminarono in una esplosione di supernova. Come resto dell’esplosione rimase una stella di neutroni in rotazione. La stella compagna continuò la sua evoluzione, espandendosi, fino a che parte della sua materia venne attratta sulla superficie della stella di neutroni e riscaldata per attrito; gli strati esterni della stella, per l’aumento della temperatura, venivano espulsi nello spazio lasciandosi indietro una stella con nucleo di elio in rotazione rispetto alla pulsar in orbite molto ravvicinate. Alla fine la stella esplose come una seconda supernova lasciando come resto una seconda stella di neutroni.

Oggi, alla nostra osservazione si presenta la prima stella come un pulsar, mentre la seconda può o meno emettere radioonde: se lo fa, esse non sono rivolte verso il sistema solare. L’attuale orbita altamente eccentrica costituisce una prova del fatto che la seconda esplosione ha quasi distrutto il sistema. Pare che la maggior parte dei sistemi normali di stelle multiple vengano spazzati via quando un membro esplode come supernova, il che spiega la scarsità di pulsar rilevata nei sistemi binari.

La fonte di energia per la radiazione gravitazionale emessa dal pulsar è l’energia del moto orbitale. Perciò, se le onde gravitazionali esistono e trasportano energia lontano dal sistema, l’energia orbitale dovrebbe gradualmente diminuire, facendo spiraleggiare il pulsar e la sua compagna sempre più vicini l’uno all’altra e facendo diminuire il periodo orbitale. Dalle equazioni della relatività generale si può ricavare l’intensità della radiazione gravitazionale prevista; di conseguenza è possibile sapere l’esatto tasso di contrazione dell’orbita e la diminuzione del periodo orbitale.

Dopo sei anni di misurazioni (dal 1974 al 1980) un gruppo di ricercatori, guidato da Joseph Taylor, Joel Weisberg e Lee Fowler, ha scoperto che il pulsar binario sta realmente “anticipando” sulla sua orbita e che la sua accelerazione si sta comportando esattamente come previsto dalla relatività generale: nella figura 3 sono confrontate la curva della prevista deviazione teorica (in nero) e la deviazione rilevata sperimentalmente (punti in grigio), nell’arco di tempo che va dal 1974 al 1982.

Inoltre, la velocità di diminuzione del periodo orbitale non è in accordo con le previsioni di numerose altre moderne teorie gravitazionali che sono state proposte in alternativa alla teoria di Einstein. Anche se le onde per se stesse rimangono elusive e non ancora rilevate, la loro “firma” è scritta a chiare lettere nel comportamento orbitale di PSR 1913+16; l’esperimento condotto sul pulsar binario dovrebbe incoraggiare i ricercatori che stanno mettendo a punto esperimenti sulle onde gravitazionali: pare accertato che ciò di cui essi sono alla ricerca esista veramente.