ONDE GRAVITAZIONALI PER LA RELATIVITÀ GENERALE

Einstein e l’equazione di stato delle pulsar

La sfida è sempre la stessa: mettere a punto test il più severi possibile per verificare sul campo la validità della Relatività generale rispetto a teorie alternative. Test ai quali la rivelazione d’onde gravitazionali da stelle di neutroni, dice ora uno studio in uscita su “Physical Review X”, potrà dare un contributo fondamentale

Crediti: L. Shao (Max Planck Institute for Gravitational Physics & Max Planck Institute for Radio Astronomy), N. Sennett, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)

Dalla nucleosintesi degli elementi pesanti alla misura della costante di Hubble, passando per l’origine dei lampi gamma corti, possiamo dire senza timore d’esagerare che la recente rilevazione d’un’onda gravitazionale prodotta dal merging di due stelle di neutroni sta facendo compiere enormi passi in avanti nei più disparati campi dell’astrofisica. Compresa la Relatività generale di Einstein. Il motivo lo spiega uno studio, in corso di pubblicazione su Physical Review X, guidato da Lijing Shao del Max Planck Institute for Gravitational Physics, ed è un motivo che si può riassumere nel grafico che vedete qui a fianco. Un grafico che raffigura le possibili deviazioni dalla relatività generale – o, in altre parole, la carenza di vincoli che escludano teorie a essa alternative – in funzione delle masse delle pulsar di cinque sistemi binari noti, tutti formati da una stella di neutroni e una nana bianca. Un grafico nel quale balza subito agli occhi un picco in corrispondenza d’un divario: l’intervallo corrispondente a pulsar di circa 1,6 – 1,7 masse solari.

«Quel picco indica una regione inesplorata, perché finora non abbiamo osservato pulsar con quella massa», spiega a Media Inaf Alessandra Buonanno, coautrice dello studio e direttrice del Max Planck Institute for Gravitational Physics. «Le binarie di stelle di neutroni che osserveremo con Ligo e Virgo potranno avere quelle masse, e quindi potremmo per la prima volta capire se la teoria di Einstein sia valida in quel regime».

Questo perché, fino all’agosto scorso, l’unico modo che gli astrofisici avevano a disposizione per verificare che la Relatività generale funzioni anche in condizioni estreme (il “regime” di cui parla Buonanno) era, appunto, avvalersi di quello straordinario metronomo naturale che sono le pulsar. La speranza è ora quella di sfruttare le misure degli interferometri in modo complementare a quelle di telescopi e radiotelescopi, così da colmare, appunto, quell’intervallo di masse mancanti.

Alessandra Buonanno, coautrice dello studio e direttrice del Max Planck Institute for Gravitational Physics.

«L’accelerazione gravitazionale in corrispondenza della superficie d’una stella di neutroni è circa 200 miliardi di volte quella della Terra», aggiunge Shao, «e questo le rende oggetti eccellenti per studiare la Relatività generale di Einstein e le teorie a essa alternative nel regime del campo forte [strong-field regime]. Grazie a uno studio sistematico condotto con il metodo del pulsar timing, ovvero andando a misurare variazioni nel ritmo delle pulsar, siamo stati in grado di porre vincoli a un’intera classe di teorie alternative della gravità, mostrando per la prima volta in dettaglio come esse dipendano dalla fisica della materia estremamente densa che contengono».

La “fisica della materia delle pulsar” alla quale fa riferimento Shao è ciò che gli scienziati chiamano equazione di stato: un’equazione che per le stelle di neutroni è ancora tutta da risolvere. «L’equazione di stato di una stella di neutroni descrive come la densità e la pressione all’interno della stella sono relazionate, e questo dipende dai componenti della stella: protoni, elettroni, neutroni, eccetera. L’equazione di stato per una stella di neutroni non è nota, e mi riferisco in particolare all’equazione di stato al centro della stella», sottolinea Buonanno a Media Inaf, «dove si pensa che la densità sia 15 ordini di grandezza più grande di quella al centro del Sole, e un ordine di grandezza superiore alla densità della materia nucleare».

Ma perché oggetti in apparenza semplicissimi da immaginare – “palle” di soli neutroni di una ventina di km di diametro – hanno un’equazione di stato ancora ignota? «Le stelle di neutroni sono composte prevalentemente da neutroni, ma anche da protoni, elettroni, e forse persino iperoni e quark strani», dice Buonanno. «Quello che è straordinario è che per la prima volta, con le onde gravitazionali, potremmo sbirciare all’interno di una stella di neutroni e svelare il mistero della sua composizione».

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