GPS e teoria della relatività di Einstein

Cosa possono avere in comune Albert Einstein, il Sistema di Posizionamento Globale (Global Positioning System – GPS) e una coppia di stelle distanti 200.000 miliardi di miglia dalla Terra?

La risposta è insita in un effetto tipico della Teoria Generale della Relatività di Einstein, noto come redshift gravitazionale, in seguito al quale la presenza della gravità determina uno spostamento della luce verso i colori più rossi. Utilizzando l’Osservatorio Chandra, a raggi X, della NASA, gli astronomi hanno individuato questo fenomeno in due stelle, orbitanti una intorno all’altra, all’interno della nostra galassia e distanti circa 29.000 anni luce dalla Terra. Anche se queste stelle sono molto distanti, i redshift gravitazionali hanno degli impatti abbastanza rilevanti sulla vita moderna; infatti, scienziati e ingegneri ne devono tenere conto per ottimizzare il funzionamento dei GPS.

Se da una parte gli scienziati hanno trovato delle evidenze incontrovertibili del redshift gravitazionale all’interno del nostro sistema solare, osservare questo stesso fenomeno in oggetti molto distanti, sparsi nello spazio, rappresenta una sfida un po’ più ardua. I risultati ottenuti con le osservazioni del Chandra forniscono delle evidenze abbastanza convincenti degli effetti del redshift gravitazionale in gioco,  in un nuovo scenario cosmico.

Il sistema studiato, denominato 4U 1916-053, è costituito da due stelle con orbite molto ravvicinate. Una di esse è il nucleo di una stella, privata degli strati più esterni, che ha originato una stella con una densità di gran lunga superiore a quella del Sole. L’altra è una stella di neutroni, un oggetto ancora più denso che si crea quando una stella di grandi dimensioni collassa in un’esplosione di supernova.

Queste stelle distano fra di loro circa 350.000 chilometri, all’incirca la stessa distanza esistente tra la Terra e la Luna. Mentre il tempo di rivoluzione della Luna attorno alla Terra è di circa un mese, nel sistema 4U 1916-053, la stella densa descrive un’orbita completa attorno alla stella di neutroni in circa 50 minuti.

In questo nuovo studio condotto sul sistema 4U 1916-053, i cui risultati sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal, i ricercatori hanno analizzato, dall’Osservatorio Chandra, gli spettri a raggi X – ovvero, la quantità di raggi X a diverse lunghezze d’onda. Sono state individuate le evidenze caratteristiche dell’assorbimento, all’interno dello spettro, dei raggi X nel ferro e nel silicio. Combinando tre osservazioni indipendenti, effettuate con Chandra, i dati mostrano un forte calo della quantità di raggi X rilevati, in prossimità di quelle lunghezze d’onda dove è previsto l’assorbimento di raggi X da parte del ferro o del silicio.

Quindi, le lunghezze d’onda delle evidenze tipiche dell’assorbimento del ferro e del silicio sono state spostate verso lunghezze d’onda più lunghe (o più rosse), rispetto ai valori di laboratorio trovati sulla Terra. I ricercatori hanno scoperto che lo spostamento delle caratteristiche di assorbimento era lo stesso in ognuna delle tre osservazioni del Chandra, e che era troppo ampio per poter essere spiegato semplicemente dal movimento rispetto alla Terra. Pertanto, si è dedotto che questo spostamento fosse causato dal redshift gravitazionale.

A questo punto ci chiediamo in che modo tutto ciò mette in relazione la Relatività Generale con il GPS. Come previsto dalla teoria di Einstein, gli orologi sottoposti alla forza di gravità segnano un tempo inferiore rispetto agli orologi visti da una regione distante rispetto a quella che risente della forza di gravità. Questo significa che gli orologi posti sulla Terra, osservati da satelliti che vi orbitano attorno, segnano un tempo inferiore. Poichè per i GPS è necessario un elevato livello di precisione, non si può prescindere dal considerare questo effetto, per evitare che ci siano delle differenze di tempo che si sommano rapidamente, calcolando delle posizioni inesatte.

Tutti i fasci luminosi, compresi i raggi X, sono affetti dalla gravità. Per comprendere la situazione, immaginiamo una persona che cerca di percorrere in salita delle scale mobili che si muovono in discesa. In questo sistema, la persona perde più energia rispetto ad avere le scale ferme o che si muovono verso il basso. La forza di gravità ha un effetto simile sulla luce, dove una perdita di energia si trasforma in una riduzione della frequenza. Dal momento che, nel vuoto, la luce viaggia sempre alla stessa velocità, perdita di energia e frequenza inferiore significano che la luce, comprese le evidenze degli assorbimenti del ferro e del silicio, si sposta verso lunghezze d’onda maggiori.

Questo risultato rappresenta la prima prova per cui, in una coppia di stelle che contenga una stella di neutroni o un buco nero, i segnali di assorbimento vengono spostati, dalla gravità, verso lunghezze d’onda maggiori. In precedenza erano stati osservati forti segnali di redshift gravitazionale nell’assorbimento, dalla superficie di nane bianche, con spostamenti di lunghezze d’onda di circa il 15% rispetto a quelli del sistema 4U 1916-053.

Secondo gli scienziati è probabile che questi risultati siano stati prodotti dal fatto che un’atmosfera gassosa, che ricopre il disco vicino la stella di neutroni, abbia assorbito i raggi X. La dimensione dello spostamento nello spettro ha permesso ai ricercatori di calcolare la distanza intercorrente tra questa atmosfera e la stella di neutroni, utilizzando la Relatività Generale e assumendo una massa standard per la stella di neutroni. In questo modo è stato determinato che l’atmosfera si trova a circa 2.500 chilometri dalla stella di neutroni, pari a circa lo 0.7% della distanza della stella di neutroni dalla sua stella binaria del sistema 4U 1916-053.

In due dei tre spettri si evince anche che i segnali dell’assorbimento sono stati spostati verso lunghezze d’onda ancora più rosse, corrispondenti a una distanza di solo 0,04% rispetto alla distanza tra la stella di neutroni e la sua binaria. Tuttavia, questi segnali vengono rilevati con minore precisione rispetto a quelli più lontani dalla stella di neutroni.

Gli scienziati studieranno il sistema delle due stelle, ancora per un altro anno, al fine di trarre maggiori dettagli sul fenomeno.

Fonte: phys.org