La validità della teoria della relatività generale – video

Dalle osservazioni del telescopio terrestre MAGIC ulteriori conferme della costanza della velocità della luce nel vuoto attraverso lo studio dell'invarianza di Lorentz che validano una volta di più la relatività generale

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Nel 2019, il telescopio MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov), collocato presso l’Osservatorio Roque de los Muchachos di La Palma, nelle Isole Canarie, ha rilevato, per la prima volta, la più intensa radiazione gamma mai ottenuta da un oggetto cosmico, nota con il nome di Lampo di Raggi Gamma (o Gamma Ray Burst – GRB).

I dati ottenuti da questo fenomeno, opportunamente analizzati dagli scienziati del progetto MAGIC, hanno confermato che, nel vuoto, la velocità della luce è costante – e non dipende dall’energia. Pertanto, così come atri test, anche i dati del GRB, pubblicati nella rivista Physical Review Letters, hanno contribuito a confermare la validità della Teoria della Relatività Generale di Einstein.

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La relatività generale di Einstein è un’affascinante teoria che spiega come la massa e l’energia interagiscono con lo spazio-tempo, creando un fenomeno noto come gravità. Questa teoria è stata testata sotto diverse situazioni fisiche e su diverse scale, e, fornendo come assunto che la velocità della luce è costante, ogni volta i risultati sperimentali hanno verificato quanto asserito dalla teoria.

Nonostante ciò, i fisici continuano a ritenere che la relatività generale non sia la teoria più fondamentale, e che, alla base della spiegazione della gravità, debba necessariamente esistere una descrizione di natura quantistica, ovvero che esista una teoria della gravità quantistica (quantum gravity – QG).

Alcune delle teorie elaborate per giungere alla gravità quantistica affermano che la velocità della luce debba dipendere dall’energia.

Questo ipotetico fenomeno viene chiamato Violazione dell’Invarianza di Lorents (Lorentz Invariance Violation – LIV). Si ritiene che gli effetti di questo fenomeno siano troppo piccoli per essere misurati, a meno che non vengano accumulati per un lungo periodo di tempo. Una soluzione per captare questi effetti si basa sull’uso di segnali da sorgenti astronomiche di raggi gamma.

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Si tratta di esplosioni ad alto potenziale energetico e molto distanti, che emettono segnali altamente variabili e dotati di molta energia. Diventano quindi degli eccellenti laboratori per sviluppare dei test sperimentali della gravità quantistica.

Ci si aspetta che i fotoni con energia più elevata siano maggiormente influenzati dagli effetti della gravità quantistica, e ce ne dovrebbero essere molti; questi fotoni viaggiano per miliardi di anni prima di raggiungere la Terra.

I lampi di raggi gamma (GRB) vengono rilevati quotidianamente con rilevatori satellitari, che osservano ampie porzioni di cielo, ma a energie più basse rispetto ai telescopi fissati a terra come il MAGIC.

Il 14 gennaio 2019, il sistema di telescopi MAGIC ha rilevato il primo GRB nel dominio delle energie di tetraelettronvolt (TeV, 1000 miliardi di volte più intensa della luce visibile), riuscendo così a captare i fotoni con la più grande energia mai osservati da un oggetto simile.

Sono state quindi sviluppate diverse analisi per studiare la natura di questi oggetti cosmici e la radiazione a energia così intensa.

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Finora non era mai stato condotto nessuno studio sulla violazione dell’invarianza di Lorentz (LIV) su dati di GRB, nell’intervallo energetico TeV, perché di fatto non esistevano dei dati da analizzare.

Per più di venti anni, i ricercatori hanno teorizzato che questo tipo di osservazione avrebbe incrementato la sensibilità verso gli effetti della LIV, ma non era mai stato possibile definire nulla finché non sono arrivati i primi dati dal MAGIC.

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Ovviamente, i ricercatori del progetto MAGIC hanno voluto utilizzare questa eccezionale osservazione per cercare gli effetti della gravità quantistica. All’inizio si sono trovati di fronte a un ostacolo: il segnale captato dai telescopi MAGIC decadeva in maniera monotona con il tempo.

Se da una parte questo fenomeno rappresentava una scoperta interessante per gli astrofisici coinvolti nello studio della GRB, dall’altra non era favorevole per testare la LIV (violazione dell’invarianza di Lorentz). Uno dei ricercatori, Daniel Kerszberg, afferma che quando vengono comparati i tempi di arrivo di due raggi gamma con energie diverse, si assume che essi siano stati emessi istantaneamente dalla sorgente.

Però, ancora non si dispone della conoscenza dei processi astronomici tale da individuare, con sufficiente precisione, il punto da cui parte ogni singolo fotone.

Gli astrofisici, di solito, si basano sulle variazioni riconoscibili del segnale per limitare il tempo di emissione dei fotoni. Un segnale che cambia in maniera monotona non possiede queste caratteristiche.

Pertanto, i ricercatori hanno utilizzato un modello teorico, che descrive l’emissione di raggi gamma attesa, prima che i telescopi MAGIC iniziassero l’osservazione. Il modello prevedeva una veloce impennata del flusso, un’emissione al picco e un decadimento monotono come quello osservato dal MAGIC.

In questo modo gli scienziati hanno potuto svolgere le proprie ricerche sulla LIV.

Un’attenta analisi, quindi, ha determinato che il ritardo nei tempi di arrivo dei raggi gamma non dipende dall’energia, in accordo con quanto previsto da Einstein. Il gruppo del progetto MAGIC, con questo lavoro, è riuscito a porre dei vincoli sulla scala dell’energia della gravità quantistica.

I limiti posti in questo studio sono compatibili con i migliori limiti ottenuti utilizzando le osservazioni dei lampi di raggi gamma (GRB) con rilevatori satellitari o utilizzando delle osservazioni, da terra, di nuclei galattici attivi.

Rispetto ai lavori precedenti, questo è stato il primo in cui è stato rilevato un segnale GRB a energie dell’ordine dei TeV. Questo lavoro può essere considerato come una pietra miliare per la ricerca futura e per implementare , nel 21 secolo, dei test più stringenti della teoria di Einstein.

Questa sperimentazione ha permesso di osservare dei lampi di raggi gamma relativamente vicini, ma la speranza è quella di captare degli eventi più luminosi e più lontani, che potrebbero dare vita e dei test ancora più sensibili.

Reference: “Bounds on Lorentz Invariance Violation from MAGIC Observation of GRB 190114C” by V. A. Acciari et al. (MAGIC Collaboration), 9 July 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.021301