Gravitational redshift: Einstein guida stelle lontane e i nostri GPS

Poiché la luce nel vuoto viaggia sempre alla stessa velocità, la perdita di energia e la minore frequenza fanno sì che la luce, comprese le tracce di ferro e silicio, si sposti a lunghezze d'onda più lunghe.
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L'intrigante sistema noto come 4U 1916-053 contiene due stelle in un'orbita notevolmente ravvicinata. Uno è il nucleo di una stella a cui sono stati strappati i suoi strati esterni, lasciando una stella molto più densa del nostro Sole. L'altra è una stella di neutroni, un oggetto ancora più denso creato quando una stella massiccia collassa in un'esplosione di supernova. La stella di neutroni (grigia) è mostrata nell'impronta di questo artista al centro di un disco di gas caldo estratto dalla sua compagna (stella bianca a sinistra). (Immagine: Spettro: NASA / CXC / Università del Michigan / N. Trueba et al .; Illustrazione: NASA / CXC / M. Weiss)

Cosa hanno in comune Albert Einstein, il Global Positioning System (GPS) e una coppia di stelle a 200.000 trilioni di chilometri dalla Terra? La risposta è un effetto della Teoria Generale della Relatività di Einstein chiamata «gravitational redshift». Ovvero la luce vira verso colori più rossi a causa della gravità. Utilizzando l’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, gli astronomi hanno scoperto il fenomeno in due stelle. Esse orbitano l’una intorno all’altra nella nostra galassia a circa 29.000 anni luce di distanza dalla Terra.

Certo, queste stelle sono molto distanti, tuttavia i gravitational redshift hanno impatti tangibili anche sulla vita moderna. Infatti gli scienziati e gli ingegneri devono tenerne conto per consentire posizioni accurate nei GPS. Mentre gli scienziati hanno trovato prove incontrovertibili dei gravitational redshift nel nostro sistema solare, è stato difficile osservarli in oggetti più distanti nello spazio. I nuovi risultati di Chandra forniscono prove convincenti dei loro effetti in un nuovo contesto cosmico.

Raggi x assorbiti da silicio e ferro

L’intrigante sistema noto come 4U 1916-053 contiene due stelle in un’orbita incredibilmente vicina. Una è il nucleo di una stella. È stato privato dei suoi strati esterni, lasciando una stella molto più densa del nostro Sole. L’altra è una stella di neutroni. È un oggetto ancora più denso, creato quando una stella massiccia collassa in un’esplosione di supernova. Nell’elaborazione a computer in copertina la stella di neutroni (grigia) appare al centro di un disco di gas caldo estratto dal suo compagno (stella bianca a sinistra).

Queste due stelle compatte distano solo circa 345.000 chilometri l’una dall’altra, più o meno la distanza tra la Terra e la Luna. Tuttavia la Luna orbita attorno al nostro pianeta una volta al mese. Mentre la densa stella compagna del 4U 1916-053 ruota intorno alla stella di neutroni e compie un’orbita completa in soli 50 minuti. Nel nuovo lavoro sul 4U 1916-053, il team ha analizzato gli spettri dei raggi X – cioè le quantità di raggi X a diverse lunghezze d’onda – di Chandra. Hanno rilevato la caratteristica firma dell’assorbimento della luce dei raggi X da parte del ferro e del silicio negli spettri.

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Gli scienziati che utilizzano i dati di Chandra hanno trovato prove di un effetto predetto da Einstein chiamato gravitational redshift in una coppia di stelle orbitanti in tutta la Galassia. In precedenza, gli astronomi hanno trovato prove inconfutabili di questo fenomeno nel nostro Sistema Solare, ma è stato difficile osservarlo in oggetti più lontani. I dati Chandra mostrano questo effetto negli spettri, o quantità di raggi X su lunghezze d’onda di 4U 1916-053. Si vedono spostamenti delle firme di ferro e silicio. Questo sistema contiene una stella di neutroni e una stella compagna in un’orbita notevolmente vicina. (Immagine: NASA/CXC/Università del Michigan/N. Trueba et al)

Gravitational redshift

In tre osservazioni separate con Chandra, i dati mostrano un netto calo della quantità di raggi X rilevati vicino alle lunghezze d’onda in cui ci si aspetta che gli atomi di ferro o di silicio li assorbano. Uno degli spettri che mostra l’assorbimento da parte del ferro – i cali a sinistra e a destra – è incluso nel grafico principale. Un ulteriore grafico mostra uno spettro con assorbimento da parte del silicio. In entrambi gli spettri, i dati sono mostrati in grigio e un modello al computer in rosso.

Tuttavia, le lunghezze d’onda di queste caratteristiche del ferro e del silicio hanno subito spostamenti a lunghezze d’onda più lunghe o più rosse rispetto ai valori di laboratorio che si trovano qui sulla Terra (mostrati con la linea blu verticale per ogni firma di assorbimento). I ricercatori hanno scoperto che lo spostamento delle caratteristiche di assorbimento era lo stesso in ognuna delle tre osservazioni di Chandra e che era troppo grande per essere spiegato dal movimento lontano da noi. Invece, hanno concluso che era causato dal gravitational redshift.

Gravitational redshift e precisione nei GPS

Come si collega questo con la Relatività generale e il GPS? Come previsto dalla teoria di Einstein, gli orologi sotto la forza di gravità funzionano a un ritmo più lento rispetto agli orologi visti da una regione lontana che sperimenta una gravità più debole. Ciò significa che gli orologi sulla Terra osservati da satelliti in orbita girano ad un ritmo più lento. Per avere l’alta precisione necessaria per il GPS, questo effetto deve essere preso in considerazione. Si rischia altrimenti che si verifichino piccole differenze di tempo che si sommano rapidamente, calcolando posizioni imprecise.

Anche tutti i tipi di luce, compresi i raggi X, sono influenzati dalla gravità. Un’analogia è quella di una persona che sale su una scala mobile che scende. Così facendo, la persona perde più energia che se la scala fosse ferma o in salita. La forza di gravità ha un effetto simile sulla luce, dove una perdita di energia dà una frequenza inferiore. Poiché la luce nel vuoto viaggia sempre alla stessa velocità, la perdita di energia e la minore frequenza fanno sì che la luce, comprese le tracce di ferro e silicio, si sposti a lunghezze d’onda più lunghe.

Questa è la prima forte evidenza che le firme di assorbimento subiscono spostamenti a lunghezze d’onda più lunghe dalla gravità in una coppia di stelle che ha una stella di neutroni o un buco nero. Una forte evidenza di spostamenti gravitazionali verso il rosso nell’assorbimento si è precedentemente osservata dalla superficie delle nane bianche, con spostamenti di lunghezza d’onda tipicamente solo circa del 15% rispetto a quelli per 4U 1916-053.

Atmosfera gassosa assorbe i raggi x

Gli scienziati dicono che è probabile che un’atmosfera gassosa che ricopre il disco vicino alla stella di neutroni (mostrata in blu) abbia assorbito i raggi X, producendo questi risultati. (Questa atmosfera non è collegata al rigonfiamento del gas rosso nella parte esterna del disco che blocca la luce dalla parte interna del disco una volta per orbita). La dimensione dello spostamento negli spettri ha permesso alla squadra di calcolare quanto questa atmosfera sia lontana dalla stella di neutroni, usando la Relatività Generale e assumendo una massa standard per la stella di neutroni.

Hanno scoperto che l’atmosfera si trova a 2400 chilometri dalla stella di neutroni. Questa è circa la metà della distanza da Los Angeles a New York. Equivale inoltre a solo lo 0,7 per cento della distanza dalla stella di neutroni alla compagna. Probabilmente si estende per diverse centinaia di chilometri dalla stella di neutroni.

Nuovo studio più dettagliato

In due dei tre spettri, ci sono anche prove di firme di assorbimento, spostate a lunghezze d’onda ancora più rosse. Corrispondono a una distanza di solo lo 0,04 per cento della distanza dalla stella di neutroni alla compagna. Tuttavia, queste firme sono rilevate con meno sicurezza di quelle più lontane dalla stella di neutroni.

Gli scienziati sono stati premiati con un ulteriore tempo di «osservazione Chandra» nel prossimo anno per studiare questo sistema in modo più dettagliato. Un articolo che descrive questi risultati è stato pubblicato su The Astrophysical Journal Letter e appare anche online.

Fornito da Chandra X-ray Center e tradotto da Monica Padoan

[Nota: i materiali possono essere modificati per contenuto e lunghezza.]

Articolo in inglese: https://visiontimes.com/2020/10/28/einsteins-theory-of-relativity-critical-for-gps-seen-in-distant-stars.html