La costante di gravitazione rimane invariata nell’Universo

Tramite lo studio ventennale di una pulsar a quasi 4 mila anni luce di distanza, gli astronomi ottengono la misura più precisa della costante di gravitazione universale che sia stata mai ottenuta ad oggi per un sistema al di fuori del Sistema Solare. Il risultato? La costante di gravitazione è davvero una costante universale!

La gravità, una delle quattro forze fondamentali della natura, sembra rassicurarci sul fatto che sia costante attraverso l’Universo, secondo uno studio di durata ventennale su una pulsar lontana. Questa ricerca ci aiuta a rispondere ad una domanda che i cosmologi si sono posti da tempo: la forza gravità è la stessa ovunque e in ogni momento? La risposta, fino ad ora, sembra essere di si. Gli astronomi, utilizzando il Green Bank Telescope (GBT) della National Science Foundation (NSF) in West Virginia, e il suo Arecibo Observatory in Puerto Rico, hanno condotto uno studio di 21 anni per misurare con precisione lo stabile ticchettio di una pulsar conosciuta come PSR J1713+0747. Questa ricerca così accurata ha prodotto il miglior vincolo mai ottenuto prima sulla costante di gravitazione universale misurata al di fuori del Sistema Solare.

Le pulsar sono densissimi residui di stelle massive denotate come supernovae, che ruotano molto velocemente su se stesse. Sono rilevate dalla Terra tramite l’emissione di due fasci di onde radio che si dipartono dai loro poli magnetici, e che proiettano attraverso lo spazio mentre ruotano. Dal momento che fenomenologicamente si tratta di stelle molto dense e massive, ma relativamente piccole – appena 20-25 chilometri di diametro – alcune pulsar sono capaci di mantenere il loro tasso di rotazione con una precisione che è paragonabile a quella dei migliori orologi atomici sulla Terra. Questo fa si che le pulsar siano eccezionali laboratori cosmici per studiare la natura fondamentale dello spazio, del tempo, e della gravità.

A 21-year study of a pair of ancient stars -- one a pulsar and the other a white dwarf -- helps astronomers understand how gravity works across the cosmos. The study was conducted with the NSF's Green Bank Telescope and the Arecibo Observatory. Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
Uno studio di 21 anni su una coppia di stelle antiche – una pulsar e una nana bianca – aiuta gli astronomi a capire come la gravità funziona attraverso il cosmo. Lo studio è stato condotto con il Green Bank Telescope dell’NSF e con l’Arecibo Observatory. Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

La pulsar che abbiamo menzionato si trova a circa 3750 anni luce di distanza dalla Terra. Essa orbita intorno ad una nana bianca ed è una delle più brillanti e stabili che conosciamo ad oggi. Studi precedenti hanno mostrato che questa pulsar impiega circa 68 giorni per orbitare intorno alla sua compagna nana bianca, il che significa che condividono un’orbita piuttosto larga, cosa abbastanza poco comune. Questa separazione è essenziale per lo studio della gravità poichè l’effetto della radiazione gravitazionale – la conversione stabile di velocità orbitale in onde gravitazionali come prevista da Einstein – è incredibilmente piccola e avrebbe un impatto trascurabile sull’orbita della pulsar. Un cambio nell’orbita più pronunciato avrebbe portato a confondere l’accuratezza nell’esperimento di misura temporale della pulsar stessa. “La sconcertante consistenza di questo residuo di stella offre una evidenza intrigante the la forza fondamentale della gravità – la grande “G” della fisica – rimane una solida roccia attraverso lo spazio,” dice Weiwei Zhu, un astronomo precedentemente all’Università Britih Columbia in Canada e autore principale di uno studio accettato per pubblicazione su Astrophysical Journal. “Questa è una osservazione che ha importanti implicazioni in cosmologia e in alcune delle forze fondamentali della fisica.” “La gravità è la forza che tiene unite le stelle, i pianeti, le galassie, tutti insieme,” ha detto Scott Ransom, un co-autore e astronomo al National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia. “Sebbene sembri che la forza di gravità sulla Terra sia costante e universale, vi sono alcune teorie in cosmologia che suggeriscono come la gravità possa cambiare in funzione del tempo o essere differente in angoli diversi dell’Universo.”I dati presi attraverso questo esperimento con un sistema a distanza sono consistenti con una costante gravitazionale che non cambia. Ricerce precedenti correlate con l’argomento e condotte nel nostro Sistema Solare, basate su studi precisi di portata di raggi laser della distanza Terra-Luna, hanno trovato che la stessa consistenza al variare del tempo.

The NSF's Robert C. Byrd Green Bank Telescope, part of the National Radio Astronomy Observatory. Credit: NRAO/AUI/NSF
Il Robert C. Byrd Green Bank Telescope dell’NSF, parte del National Radio Astronomy Observatory. Credit: NRAO/AUI/NSF

“Questi risultati – nuovi e vecchi -ci permettono con buona confidenza di escludere che ci possano essere tempi speciali o luoghi dove la gravità ha un comportamento differente,” ha aggiunto Ingrid Stairs, un co-autore dall’Università di British Columbia in Canada. “Le teorie della gravità che sono differenti dalla relatività generale spesso fanno predizioni di questo tipo, e dobbiamo quindi porre nuovi vincoli sui parametri che le descrivono.” ha concluso Zhu: “La costante gravitazionale è una costante fondamentale della fisica, pertanto è importante verificare questa assunzione di base utilizzando oggetti posti in luoghi, tempi, e condizioni gravitazionali diverse. Il fatto che vediamo la gravità in un altro sistema stellare comportarsi allo stesso modo di quella che misuriamo nel nostro Sistema Solare ci aiuta a confermare che la costante di gravitazione è realmente universale.” Questo lavoro era parte del North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), un Physics Frontiers Center finanziato dall’NSF.Il GBT è localizzato nel National Radio Quiet Zone, che protegge questi telescopi incredibilmente sensibili da interferenze radio indesiderate, consentendo così lo studio di pulsar e di altri oggetti astronomici.Il National Radio Astronomy Observatory è a disposizione della National Science Foundation, operato sotto accordo cooperativo dall’Associated Universities, Inc.

L’articolo originale è disponibile QUI.

La prestampa elettronica dell’articolo in fase di pubblicazione è disponibile QUI.

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14 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Dice che la pulsar orbita intorno ad una nana bianca. Come mai non è il contrario? Non deve ebbe essere più massiccia la pulsar rispetto alla nb?

    E poi parla anche della radiazione gravitazionale e dice che è la conversione in onde gravitazionali della velocità orbitale della stella.
    ma questa tecnica viene utilizzata anche per scovare i BH o sbaglio?

  2. Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Dice che la pulsar orbita intorno ad una nana bianca. Come mai non è il contrario? Non deve ebbe essere più massiccia la pulsar rispetto alla nb?
    E' solo una questione di terminologia. Per dirla meglio, bisogna dire che la pulsar e la nana bianca orbitano attorno al loro centro di massa.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    E poi parla anche della radiazione gravitazionale e dice che è la conversione in onde gravitazionali della velocità orbitale della stella.
    ma questa tecnica viene utilizzata anche per scovare i BH o sbaglio?
    In realtà la tecnica ha senso usarla con oggetti che possiamo vedere direttamente, come appunto stelle compatte in orbita l'una attorno all'altra, dove possiamo quantificare con precisione le velocità orbitali.

  3. Buongiorno ragazzi.
    C'è una questione che non mi è chiara.

    Ammettiamo pure che la costante di gravità abbia lo stesso valore in qualunque sistema gravitazionale dell'universo (chessò io, galassia-galassia, stella-pianeta, stella-stella, ecc.) e ammettiamo anche che tale valore sia sempre lo stesso nel tempo.

    Mi sembra rimanga fuori un aspetto che non ci consente di asserire la costanza di G. La domanda è: dato un oggetto massivo, qual'è la legge di variazione di G a grandi distanze?

    Riportiamo in un diagramma cartesiano la distanza in ascisse e G in ordinate, avendo fissato una data età dell'universo; la funzione sarebbe una retta parallela all'asse delle x o magari sarebbe una curva? Se non sbaglio proprio in questo consiste la MOND e la consistenza o meno della materia oscura.

    Non vorrei sembrare "blasfemo" ma il fatto che G abbia il valore a noi noto nel caso di un sistema gravitazionale minuscolo (come il nostro sistema solare, del resto), sia pure molto distante da noi, se da un lato pone un punto fermo alla costanza di G sulle piccole distanze, dall'altro lascia ancora ampio campo alla questione della variazione di G sulle lunghe e lunghissime distanze.

    Sbaglio?

  4. Già che ci sono, aggiungerei che anche riguardo alla costanza nel tempo ho i miei dubbi.

    Il segnale inviato dal sistema PULSAR-NANA BIANCA ha impiegato circa 4.000 anni per raggiungerci, consegnandoci, per l'appunto, la situazione di 4.000 anni fa.
    Ora, 4.000 anni, rispetto all'età del cosmo rappresenta lo 0,0000003%! Non è pochino per parlare di costanza nel tempo?

    Nel diagrammino di cui sopra, se sostituiamo il tempo alla distanza (asse delle x) siamo sicuri che, per i lunghi tempi, la funzione abbia la forma di una retta orizzontale?

  5. Citazione Originariamente Scritto da Cyg X-1 Visualizza Messaggio
    Mi sembra rimanga fuori un aspetto che non ci consente di asserire la costanza di G. La domanda è: dato un oggetto massivo, qual'è la legge di variazione di G a grandi distanze?

    Riportiamo in un diagramma cartesiano la distanza in ascisse e G in ordinate, avendo fissato una data età dell'universo; la funzione sarebbe una retta parallela all'asse delle x o magari sarebbe una curva? Se non sbaglio proprio in questo consiste la MOND e la consistenza o meno della materia oscura.
    Hai sollevato il punto che speravo venisse alla luce da parte di qualche lettore più attento.
    Il problema di fatto non risiede in G in questi termini. G nasce come costante di proporzionalità che in teoria dei campi ha il significato di esprimere una caratteristica intrinseca di quel campo di forze in funzione di tempo e spazio. In maniera analoga si definisce una costante del genere anche per i campi elettrodebole e forte, dove avrai spesso sentito parlare di costante di struttura fine .
    Ciò che lo studio pubblicato ha dimostrato è che G non dipende nè dal tempo nè dallo spazio, il che è un risultato importante. In G non rientra la distanza tra gli oggetti, ma rappresenta "solo" l'intensità locale della forza, a prescindere da quali masse e distanze siano in gioco.

    Quello a cui tu ti riferisci invece, e che rientra nella teoria MOND, è l'esponente della dipendenza dalla distanza, che ti dice come effettivamente l'interazione tra i due corpi dipende dalla distanza tra gli stessi. Nel caso generalizzato avresti

    dove d è il famoso esponente che si sta cercando di misurare su grandi distanze. d è fisso a 2 per tutte le prove osservative di cui abbiamo disponibilità, ma non sappiamo ancora ad oggi se d possa variare, e diventare ad esempio leggermente più grande di 2 su scale di distanza galattica.

    Quindi diciamo che per il momento si è solo confermato che G sia costante, il che è un ottimo risultato perchè ci fa capire che la caratteristica intrinseca del campo gravitazionale non muta cambiando luogo e tempo.

  6. Citazione Originariamente Scritto da Cyg X-1 Visualizza Messaggio
    Il segnale inviato dal sistema PULSAR-NANA BIANCA ha impiegato circa 4.000 anni per raggiungerci, consegnandoci, per l'appunto, la situazione di 4.000 anni fa.
    Ora, 4.000 anni, rispetto all'età del cosmo rappresenta lo 0,0000003%! Non è pochino per parlare di costanza nel tempo?
    Questo dubbio è legittimo e infatti si parla di prova a supporto della costanza. Per verificare che G sia costante nello spazio e nel tempo in modo assoluto dovremmo poterla misurare in ogni punto e tempo dello spazio-tempo, cosa per noi impossibile. Si tratta dunque di un'ipotesi falsificabile certamente, perchè basta avere una misura diversa, anche una sola, per far si che tutta la teoria decada. Tuttavia, a questo devi aggiungere il fatto che un sistema pulsar-nana bianca è un sistema di per sè molto antico, dell'ordine di qualche miliardo di anni e pertanto non conta solo la distanza del sistema da noi ma anche il fatto che quel sistema è così vecchio ma anche così altamente stabile da averci permesso di misurare G con grandissima precisione, il che implica che la forza gravitazionale non può essere cambiata durante l'evoluzione del sistema, altrimenti non avremmo osservato un tale livello di stazionarietà.

  7. Grazie Enrico, penso di aver afferrato il concetto.

    Mi restano però nebulose alcune questioni ... epistemologiche. Provo ad esporre i miei dubbi:

    La formula della gravitazione universale presenta due parametri .... particolari: la costante G e l'esponente d.
    Le masse le diamo per costanti, almeno nella visione newtoniana.

    Il riscontro di un'eventuale variazione nell'intensità dell'attrazione gravitazionale (nel tempo e nello spazio) potrebbe teoricamente dipendere da entrambi questi parametri o magari da uno solo.

    D'altra parte a G si attribuisce un significato che la lega al particolare tipo di campo e la rende costante (per definizione) per quel tipo di campo, definendolo. La ricerca condotta sul sistema pulsar-nana bianca aveva lo scopo di confermare tale indirizzo teorico.

    Resta quindi da "giocare" con la sola distanza per ottenere la (eventuale) variazione della legge della forza gravitazionale.

    Quello che mi chiedo, visto che la costanza di G è stata confermata relativamente ad un sistema piccolo e di età non recente ma, comunque, non paragonabile a quella del cosmo, è:
    nel caso si rilevassero dette differenze nella legge di gravitazione, come si farebbe a distinguere tra effetti prodotti dalla variazione dell'esponente da quelli prodotti da variazioni di G?

    O forse la cosa non è così importante?
    Mi sembra che per G si tenda ad applicare il principio cosmologico (se è così qui deve essere così dappertutto), mentre per d si rimandi alle "verifiche sul campo", salvo poi tirare nuovamente in ballo il principio cosmologico per estendere a tutto l'universo quanto misurato in una parte, necessariamente limitata, di quest'ultimo.

    Non so se ho chiarito il mio pensiero.
    E' la teoria che comanda, confinando, per così dire, il significato di G allo specifico tipo di campo ed estendendo il significato di d a qualunque tipo di campo. La distanza compare sia nel campo elettromagnetico, che in quello debole ecc... ed ha sempre lo stesso significato, mentre le "costanti di campo" individuano quest'ultimo.

  8. Da come ho capito G è COSTANTE, ovvero indipendente da DOVE lo si misura, da QUANDO lo si misura, dalle MASSE che partecipano a produrre Fg.
    Altra cosa è la variazione di Fg, la quale può FORSE variare in base alla distanza, o meglio, in base all esponente d. Ma questo è un discorso che riguarda l ipotesi MOND e mi sembra che non abbia nulla a che fare con la costanza di G.

    Insomma, credo che in questo articolo si parli di G, mentre la mond parla di Fg, quindi due cose DIVERSE!!!


    Spero di aver detto bene..

  9. Ciao Dark.

    Sono d'accordo con te sul punto relativo a G.
    Volevo entrare maggiormente nella formula della gravitazione, definendo in modo più completo il significato di G cui Enrico ha già accennato.
    Mi sembra che G, per motivi teorici, abbia il suo ruolo che non la fa dipendere nè dal tempo nè dallo spazio, e di questo si è cercata conferma.
    Per analoghi motivi teorici d ha il proprio ruolo che la fa (potrebbe fare) dipendere da spazio e tempo.

    Diciamo che sarebbe interessante chiarire il significato delle costanti (G, \alpha, ecc.) con le loro dipendenze ed il significato delle distanze, nelle equazioni dei campi.
    A questo riguardo (ma non vorrei allargare troppo il campo della discussione) ho sempre avuto difficoltà a capire il modo in cui si calcola il raggio d'azione dei campi: gravitazionale, elettromagnetico, debole, forte.
    Le costanti dei campi sono diverse, e allora come si fa a porre le equazioni "a parità di condizioni" per stabilre il raggio d'influenza di ciascun campo?

    Riguardo alla legge di variazione della forza di gravità penso invece che la MOND non c'entri. Mi spiego: se Fg varia nello spazio (e magari anche nel tempo), questo rientra in una visione più generale della formula stessa. E' un pò come osservare un aereo che si allontana nel cielo seguendo una traiettoria rettilinea e dedurre che continuerà nello stesso modo anche quando sarà fuori visuale.
    La MOND (se esiste) non è altro che la Fg posta in modo più corretto. Secondo me non ci dovrebbe essere neanche bisogno di chiamarla MOND o vattelapesca.