Credito d'immagine: NRAO
Teorizzato da Einstein per quasi un secolo, i fisici hanno trovato prove a sostegno della teoria secondo cui la forza di gravità si muove alla velocità della luce. Le variazioni nel modo in cui l'immagine del quasar era piegata spiegavano questa velocità di gravità.
Approfittando di un raro allineamento cosmico, gli scienziati hanno effettuato la prima misurazione della velocità con cui la forza di gravità si propaga, dando un valore numerico a una delle ultime costanti fondamentali non misurate della fisica.
"Newton pensava che la forza di gravità fosse istantanea. Einstein pensò che si muovesse alla velocità della luce, ma fino ad ora nessuno l'aveva misurato ", ha dichiarato Sergei Kopeikin, un fisico dell'Università del Missouri-Columbia.
"Abbiamo determinato che la velocità di propagazione della gravità è uguale alla velocità della luce con una precisione del 20 percento", ha affermato Ed Fomalont, astronomo del National Radio Astronomy Observatory (NRAO) di Charlottesville, VA. Gli scienziati hanno presentato le loro scoperte all'incontro della American Astronomical Society a Seattle, WA.
La misurazione del punto di riferimento è importante per i fisici che lavorano su teorie di campo unificate che tentano di combinare la fisica delle particelle con la teoria generale della relatività e della teoria elettromagnetica di Einstein.
"La nostra misurazione pone alcuni forti limiti alle teorie che propongono dimensioni extra, come la teoria delle superstringhe e le teorie della brana", ha detto Kopeikin. "Conoscere la velocità di gravità può fornire un test importante dell'esistenza e della compattezza di queste dimensioni extra", ha aggiunto.
La teoria delle superstringhe suggerisce che le particelle fondamentali della natura non sono puntiformi, ma piuttosto incredibilmente piccoli anelli o stringhe, le cui proprietà sono determinate da diversi modi di vibrazione. Le brane (una parola derivata dalle membrane) sono superfici multidimensionali e alcune attuali teorie fisiche propongono brane spazio-temporali incorporate in cinque dimensioni.
Gli scienziati hanno utilizzato il Very Long Baseline Array (VLBA) della National Science Foundation, un sistema radiotelescopio su tutto il continente, insieme al radiotelescopio di 100 metri a Effelsberg, in Germania, per fare un'osservazione estremamente precisa quando il pianeta Giove passò quasi davanti a un quasar luminoso l'8 settembre 2002.
L'osservazione ha registrato una leggerissima "flessione" delle onde radio provenienti dal quasar di fondo dall'effetto gravitazionale di Giove. La flessione ha comportato un piccolo cambiamento nella posizione apparente del quasar nel cielo.
"Poiché Giove si sta muovendo intorno al Sole, la quantità precisa della flessione dipende leggermente dalla velocità con cui la gravità si propaga da Giove", ha detto Kopeikin.
Giove, il più grande pianeta del Sistema Solare, passa solo abbastanza vicino al percorso delle onde radio da un quasar adeguatamente brillante circa una volta ogni dieci anni per poter effettuare una tale misurazione, hanno detto gli scienziati.
L'allineamento celeste una volta ogni dieci anni fu l'ultimo di una catena di eventi che rese possibile misurare la velocità di gravità. Gli altri includevano un incontro casuale dei due scienziati nel 1996, una svolta nella fisica teorica e lo sviluppo di tecniche specializzate che consentirono di effettuare misurazioni estremamente precise.
"Nessuno aveva mai provato a misurare la velocità di gravità prima perché la maggior parte dei fisici aveva ipotizzato che l'unico modo per farlo fosse rilevare le onde gravitazionali", ha ricordato Kopeikin. Tuttavia, nel 1999, Kopeikin estese la teoria di Einstein per includere gli effetti gravitazionali di un corpo in movimento sulla luce e sulle onde radio. Gli effetti dipendevano dalla velocità di gravità. Si rese conto che se Giove si fosse mosso quasi di fronte a una stella o una fonte radio, avrebbe potuto testare la sua teoria.
Kopeikin studiò l'orbita prevista di Giove per i successivi 30 anni e scoprì che il pianeta gigante sarebbe passato abbastanza vicino davanti al quasar J0842 + 1835 nel 2002. Tuttavia, si rese presto conto che l'effetto sulla posizione apparente del quasar nel cielo attribuibile alla velocità di gravità sarebbe così piccolo che l'unica tecnica osservativa in grado di misurarla era l'interferometria di base molto lunga (VLBI), la tecnica incorporata nel VLBA. Kopeikin ha quindi contattato Fomalont, uno dei maggiori esperti di VLBI e un osservatore esperto di VLBA.
"Mi sono reso immediatamente conto dell'importanza di un esperimento in grado di effettuare la prima misurazione di una costante fondamentale della natura", ha affermato Fomalont. "Ho deciso che dovevamo dare a questo il nostro tiro migliore", ha aggiunto.
Per ottenere il livello richiesto di precisione, i due scienziati hanno aggiunto il telescopio Effelsberg alla loro osservazione. Maggiore è la separazione tra due antenne del radiotelescopio, maggiore è il potere risolutivo o la capacità di vedere i dettagli fini, ottenibili. Il VLBA comprende antenne alle Hawaii, negli Stati Uniti continentali e a St. Croix nei Caraibi. Un'antenna dall'altra parte dell'Atlantico ha aggiunto un potere risolutivo ancora maggiore.
"Abbiamo dovuto effettuare una misurazione con un'accuratezza circa tre volte superiore a quella di chiunque altro, ma in linea di principio sapevamo che poteva essere fatto", ha affermato Fomalont. Gli scienziati hanno testato e perfezionato le loro tecniche in "percorsi a secco", quindi hanno aspettato che Giove facesse il suo passaggio di fronte al quasar.
L'attesa prevedeva un notevole morso delle unghie. Il guasto dell'attrezzatura, il maltempo o una tempesta elettromagnetica su Giove stesso avrebbero potuto sabotare l'osservazione. Tuttavia, la fortuna ha resistito e le osservazioni degli scienziati a una frequenza radio di 8 GigaHertz hanno prodotto dati sufficienti per effettuare la loro misurazione. Hanno raggiunto una precisione pari alla larghezza di un capello umano visto da 250 miglia di distanza.
"Il nostro obiettivo principale era quello di escludere una velocità infinita per gravità, e abbiamo fatto ancora meglio. Ora sappiamo che la velocità di gravità è probabilmente uguale alla velocità della luce e possiamo escludere con sicurezza qualsiasi velocità per gravità superiore al doppio di quella della luce ", ha detto Fomalont.
La maggior parte degli scienziati, ha affermato Kopeikin, sarà sollevata dal fatto che la velocità di gravità sia coerente con la velocità della luce. “Credo che questo esperimento faccia luce sui fondamenti della relatività generale e rappresenti il primo di molti altri studi e osservazioni sulla gravitazione che sono attualmente possibili a causa dell'enorme precisione del VLBI. Abbiamo molto di più da imparare su questa intrigante forza cosmica e sulla sua relazione con le altre forze in natura ", ha detto Kopeikin.
Questa non è la prima volta che Giove ha avuto un ruolo nel produrre una misurazione di una costante fisica fondamentale. Nel 1675, Olaf Roemer, un astronomo danese che lavorava all'Osservatorio di Parigi, fece la prima ragionevolmente accurata determinazione della velocità della luce osservando le eclissi di una delle lune di Giove.
Fonte originale: Comunicato stampa NRAO
