Sfidare Einstein
A colpo d'occhio
- Uno degli obiettivi principali dei telescopi SKA è testare la Teoria della Relatività Generale di Einstein in ambienti estremi
- Gli astronomi si concentreranno su ambienti in cui la gravità è eccezionalmente forte, come intorno ai buchi neri supermassicci
- Cercheranno di rilevare indirettamente le onde gravitazionali - increspature nel tessuto dello spazio-tempo - usando una rete cosmica di stelle di neutroni in rapida rotazione, chiamate anche pulsar
- I telescopi SKA rileveranno minuscoli cambiamenti nel tempo di arrivo sulla terra del segnale emesso da pulsar millisecondi, caratteristiche di un'onda gravitazionale che passa attraverso il percorso del segnale
Per più di un secolo, la Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, che ha predetto gli effetti dello spazio-tempo curvo, è rimasta ferma contro ogni test che i fisici le hanno lanciato. Ora l'alba dell'era SKA porterà alla sfida più grande di sempre.
Le impareggiabili capacità dei telescopi metteranno alla prova la teoria di Einstein nelle condizioni più estreme dell'Universo, dove la gravità è molto più forte che nel nostro Sistema Solare, come intorno ai buchi neri. Rileveranno anche onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio-tempo che influenzano la struttura sottostante dell'Universo, osservando il loro effetto su oggetti rotanti estremamente densi chiamati pulsar.
Il tessuto del nostro Universo non è come un lenzuolo piatto; ha distorsioni, o curve, causate dalla massa di pianeti, stelle e altri oggetti. Queste curve a loro volta influenzano il modo in cui la materia si muove attraverso l'Universo, che noi percepiamo come gravità. La curvatura coinvolge anche il tempo, con l'effetto gravitazionale di corpi massicci come i buchi neri che rallentano il tempo per chiunque si trovi nelle vicinanze. Questo è ciò che Einstein dettagliò nella sua teoria del 1915.
Ciò che rimane non testato è se questa teoria sia vera in tutti i casi. Spingendoci oltre le deboli condizioni del campo gravitazionale del nostro Sistema Solare e in ambienti a campo forte, che possono essere abbastanza estremi da mostrare deviazioni dalla previsione della relatività generale, possiamo creare il test più completo mai intrapreso.
Catturare un'onda gravitazionale
Lateoria di Einstein includeva la previsione dell'esistenza di onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce come risultato del movimento o del collasso di oggetti massicci. Un secolo dopo, nel 2015, l'esperimento LIGO ha rilevato direttamente le onde gravitazionali per la prima volta.
Queste onde sono particolarmente interessanti per gli astronomi perché i telescopi sono sensibili solo a diversi tipi di luce — diverse parti dello spettro elettromagnetico — emessa da oggetti (infrarossi, radio, luce ottica e così via), mentre le onde gravitazionali influenzano la struttura sottostante del Universo.
Le onde gravitazionali, proprio come le onde marine, hanno dimensioni diverse a seconda della loro origine. I telescopi SKA rileveranno alcuni dei più grandi, causati da enormi eventi gravitazionali. Sia la nascita dell'Universo nel Big Bang che la collisione di buchi neri supermassicci al centro delle galassie molto più tardi dovrebbero produrre onde gravitazionali che si propagano ancora nel nostro vicinato.
I telescopi SKA rileveranno queste onde misurando la distorsione del tempo piuttosto che dello spazio. Come faranno? Trovando e misurando le modifiche alle pulsar, i nuclei rotanti crollati di stelle morte.
Pulsar: fari cosmici affidabili
Leloro rotazioni rapide e regolari rendono le pulsar orologi spaziali incredibilmente precisi, precisi come i migliori orologi atomici sulla Terra. Emettono un impulso di onde radio come un raggio di faro, che i radiotelescopi possono rilevare dalla Terra. È questa precisione, e la capacità dello SKA di rilevare anche le variazioni più sottili causate da un'onda gravitazionale che passa, che speriamo possa consentire questa svolta nella scienza.
Lo SKA sarà in grado di cronometrare pulsar al millisecondo (che sono sia più veloci che più rare di una pulsar media) in genere con una precisione di 100 nanosecondi, e anche meglio in alcuni casi. Ciò significa che può prevedere il tempo di arrivo di un impulso a meglio di 10.000.000 di secondo, un livello di precisione essenziale per individuare le minuscole deviazioni causate da un'onda gravitazionale.
Cronometrando un'intera serie di pulsar, lo SKA creerà effettivamente un osservatorio cosmico, seguendo un'onda gravitazionale mentre attraversa la nostra galassia.
Astrofisica estrema: gravità e buchi neri
I buchi neri sono tra gli ambienti più estremi dell'Universo, i resti di stelle massicce che sono collassate gravitazionalmente ed esplose in una supernova. Come oggetti incredibilmente densi con una massa enorme, i campi gravitazionali intorno a loro sono tanto forti quanto diventa - così forti che dopo un certo punto, noto come orizzonte degli eventi, nulla può sfuggire alla presa di un buco nero, nemmeno la luce. Questo li rende un luogo ideale per testare e perfezionare le teorie di Einstein sulla gravità fino al limite assoluto.
Per fare ciò, i telescopi SKA cercheranno anche qualcosa che dovrebbe essere molto raro: una pulsar in orbita attorno a un buco nero. La sensibilità unica dei telescopi SKA significa che ci aspettiamo di essere in grado di trovare una pulsar in orbita attorno a un buco nero nel disco della nostra galassia, e possibilmente attorno al buco nero supermassiccio al suo centro.
Attorno ai buchi neri, la forza di gravità fa sì che lo spazio-tempo diventi estremamente deformato. Sulla Terra, ci aspetteremmo che questa deformazione causi ritardi negli orari di arrivo dei segnali (o impulsi) da una pulsar, qualcosa che i telescopi SKA saranno in grado di individuare con una precisione senza precedenti. Questo ritardo dovrebbe anche variare a seconda di dove si trova la pulsar nella sua orbita del buco nero e di quanta distorsione spazio-temporale incontra di conseguenza.
Lateoria di Einstein includeva previsioni sulla natura dei buchi neri e sui ritardi che avrebbero causato al viaggio della luce attraverso lo spazio, quindi gli astronomi cercheranno di confrontare la teoria con la realtà misurata effettiva - il test finale della Relatività Generale. Se le due cose sono coerenti, Einstein vince ancora. Altrimenti, allora sappiamo che manca qualcosa nella nostra comprensione, aprendo un'area completamente nuova dell'astrofisica.