Nuovi vincoli alla variazione nel tempo della costante gravitazionale G

Le teorie della fisica del passato hanno introdotto diverse costanti fondamentali, inclusa la costante G di Newton, che quantifica la forza dell’interazione gravitazionale tra due oggetti massicci. Combinate, queste costanti fondamentali consentono ai fisici di descrivere l’universo in modi chiari e facili da capire.

In passato, alcuni ricercatori si chiedevano se il valore delle costanti fondamentali fosse cambiato nel tempo cosmico. Inoltre, alcune teorie alternative della gravità (cioè adattamenti o sostituti della teoria della relatività generale di Einstein), prevedono che la costante G possa subire variazione nel tempo.

I ricercatori del Centro internazionale di scienze teoriche del Tata Institute for Fundamental Research in India hanno recentemente proposto un metodo che può essere utilizzato per porre vincoli alla variazione della costante gravitazionale G nel tempo cosmico. Questo metodo, delineato in un articolo pubblicato su Physical Review Letters, si basa sull’osservazione della fusione di stelle di neutroni binarie.

“Diversi esperimenti hanno limitato la quantità di variazione della costante gravitazionale G“, ha detto alla rivista online Phys.org Parameswaran Ajith, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. 

“Il nostro lavoro mostra che le osservazioni delle onde gravitazionali delle binarie di stelle di neutroni forniscono un nuovo metodo per misurare la variazione nel tempo di G. Dal segnale dell’onda gravitazionale derivante dalla fusione di una stella di neutroni binaria, possiamo misurare la combinazione GM / c ², dove M è la massa totale del binario e c è la velocità della luce. Se abbiamo una misura indipendente di M e c, possiamo determinare il valore di G“.

Le onde gravitazionali sono perturbazioni dello spaziotempo che si propagano con carattere ondulatorio.

Furono previste nel 1916 nell’ambito della teoria della relatività generale, nella quale l’equazione di campo di Einstein (linearizzata) ammette soluzioni ondulatorie per il tensore metrico, così come avviene per le equazioni di Maxwell riguardo al campo elettromagnetico.

L’onda gravitazionale è quindi a tutti gli effetti una forma di radiazione al cui passaggio le distanze fra punti dello spazio tridimensionale curvo all’interno del campo gravitazionale si contraggono ed espandono ritmicamente. La teoria prevede che fronti d’onda di particolare intensità possono essere generati da fenomeni cosmici in cui enormi masse variano la loro distribuzione in modo repentino (e con un momento di quadrupolo non nullo), ad esempio, nell’esplosione di supernovae o nella collisione di oggetti quali stelle di neutroni e buchi neri.

Sebbene la velocità della luce sia nota, non esiste una misurazione indipendente della massa di una fusione di stelle binarie. Ciò che si sa, tuttavia, è che le stelle di neutroni hanno limiti di massa specifici.

Calcolare la variazione della costante gravitazionale G nel tempo cosmico

Nello specifico, i fisici sanno che se una stella di neutroni è troppo massiccia, collasserà sotto la sua stessa gravità. D’altra parte, se è troppo leggera, non sarà in grado di trattenere il suo materiale. Ajith ei suoi colleghi hanno essenzialmente proposto di utilizzare questi limiti di massa noti per limitare l’intervallo di valori che G può avere durante una fusione di stelle binarie.

“L’idea originale del mio collaboratore Shasvath Kapadia era quella di utilizzare l’emissione elettromagnetica dalla fusione per stimare in modo indipendente la massa del binario“, ha detto Ajith. “Sebbene ciò sia, in linea di principio, possibile, le incertezze in questa misurazione sono grandi a causa della fisica complessa coinvolta. In futuro, tale misurazione potrebbe anche essere possibile“.

Le scoperte effettuate da Ajith e dai suoi colleghi introducono nuovi vincoli sulla variazione della costante gravitazionale G su un’epoca cosmologica che non è verificata da altre osservazioni. In effetti, le osservazioni passate generalmente sondano l’universo primordiale (cioè, pochi minuti dopo il Big Bang) o la versione più “recente” dell’universo (cioè, fino a circa 100 milioni di anni fa).

Il metodo sviluppato da questo team di ricercatori potrebbe aiutare a comprendere meglio fino a che punto la costante gravitazionale G varia nel tempo cosmico. Inoltre, se applicato a future osservazioni di onde gravitazionali, potrebbe potenzialmente consentire ai fisici di sondare il valore di G per un’epoca cosmologica estesa, che si estende su 10 miliardi di anni.

“Gli osservatori di onde gravitazionali come LIGO e Virgo continuano a migliorare la loro sensibilità. Nuovi rilevatori sono in costruzione in Giappone e in India“, ha detto Ajith. 

“Nel prossimo decennio, rileveremo le onde gravitazionali da centinaia di stelle di neutroni binarie. La prossima generazione pianificata di rivelatori ne rileverà milioni e ogni osservazione vincolerà il valore di G da un’epoca cosmologica diversa. In questo modo, dovremmo essere in grado di creare una “mappa” della variazione della costante gravitazionale G su un’epoca cosmologica estesa che copre 10 miliardi di anni“.

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