Una delle previsioni della teoria generale della relatività di Einstein è che qualsiasi corpo rotante trascina il tessuto stesso dello spazio-tempo nelle sue vicinanze intorno ad esso. Questo è noto come”frame-trascinamento”.
Nella vita di tutti i giorni, il trascinamento dei fotogrammi è sia inosservabile che irrilevante, poiché l’effetto è così ridicolmente piccolo. Rilevare il trascinamento del frame causato dallo spin dell’intera Terra richiede satelliti come la sonda gravitazionale B da 750 milioni di dollari e il rilevamento di variazioni angolari nei giroscopi equivalenti a un solo grado ogni 100.000 anni o giù di lì.
Fortunatamente per noi, l’Universo contiene molti laboratori gravitazionali naturali in cui i fisici possono osservare le previsioni di Einstein al lavoro in dettagli squisiti. La ricerca del nostro team, pubblicata oggi su Science, rivela prove di trascinamento del fotogramma su una scala molto più evidente, utilizzando un radiotelescopio e una coppia unica di stelle compatte che sfrecciano l’una intorno all’altra a velocità vertiginose.
Il moto di queste stelle avrebbe perplesso gli astronomi ai tempi di Newton, poiché si muovono chiaramente in uno spazio-tempo deformato e richiedono la teoria generale della relatività 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 conosciute è che i corpi rotanti trascinano lo spazio-tempo con loro. Più velocemente un oggetto gira e più è massiccio, più potente è la resistenza.
Un tipo di oggetto per il quale questo è molto rilevante è chiamato nana bianca. Questi sono i nuclei rimasti da stelle morte che una volta erano diverse volte la massa del nostro Sole, ma da allora hanno esaurito il loro combustibile a idrogeno. Ciò che rimane è simile per dimensioni alla Terra ma centinaia di migliaia di volte più massiccio. Le nane bianche possono anche girare molto rapidamente, ruotando ogni minuto o due, piuttosto che ogni 24 ore come fa la Terra.
Il trascinamento del frame causato da una tale nana bianca sarebbe circa 100 milioni di volte più potente della Terra.
Va tutto bene, ma non possiamo volare su una nana bianca e lanciare satelliti attorno ad essa. Fortunatamente, tuttavia, la natura è gentile con gli astronomi e ha il suo modo di lasciarci osservare, attraverso stelle orbitanti chiamate pulsar.
Venti anni fa, il radiotelescopio Parkes di CSIRO ha scoperto una coppia stellare unica composta da una nana bianca (circa delle dimensioni della Terra ma circa 300.000 volte più pesante) e una pulsar radio (solo delle dimensioni di una città ma 400.000 volte più pesante).
Rispetto alle nane bianche, le pulsar sono in un’altra lega del tutto. Non sono fatti di atomi convenzionali, ma di neutroni imballati strettamente insieme, rendendoli incredibilmente densi. Cosa c’è di più, la pulsar nel nostro studio gira 150 volte al minuto.
Questo significa che, 150 volte al minuto, un “raggio faro” di onde radio emesse da questa pulsar spazza oltre il nostro punto di osservazione qui sulla Terra. Possiamo usarlo per mappare il percorso della pulsar mentre orbita attorno alla nana bianca, cronometrando quando il suo impulso arriva al nostro telescopio e conoscendo la velocità della luce. Questo metodo ha rivelato che le due stelle orbitano l’un l’altro in meno di 5 ore.
Questa coppia, ufficialmente chiamata PSR J1141-6545, è un laboratorio gravitazionale ideale. Dal 2001 abbiamo camminato a Parkes diverse volte l’anno per mappare l’orbita di questo sistema, che presenta una moltitudine di effetti gravitazionali einsteiniani.
Mappare l’evoluzione delle orbite non è per gli impazienti, ma le nostre misurazioni sono ridicolmente precise. Sebbene PSR J1141-6545 si trovi a diverse centinaia di quadrilioni di chilometri di distanza (un quadrilione è un milione di miliardi), sappiamo che la pulsar ruota 2,5387230404 volte al secondo e che la sua orbita sta cadendo nello spazio. Ciò significa che il piano della sua orbita non è fisso, ma invece sta ruotando 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 nana bianca. Un disco si forma mentre questo materiale cade verso la nana bianca, e nel corso di decine di migliaia di anni fa girare 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, lasciando dietro di sé una pulsar. La nana bianca che gira rapidamente trascina lo spazio-tempo con sé, facendo inclinare il piano orbitale della pulsar mentre viene trascinato. Questa inclinazione è ciò che abbiamo osservato attraverso la mappatura del paziente dell’orbita della pulsar.
Einstein stesso pensava che molte delle sue previsioni sullo spazio e sul tempo non sarebbero mai state osservabili. Ma gli ultimi anni hanno visto una rivoluzione in astrofisica estrema, tra cui la scoperta di onde gravitazionali e l’imaging di un buco nero ombra 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 vecchi di 50 anni come quello di Parkes e per le campagne pazienti di generazioni di studenti laureati.