LA RELATIVITÀ GENERALE MESSA ALLA PROVA CON LE IMMAGINI DEI BUCHI NERI

Einstein guadagna cinquecento vite

I ricercatori della collaborazione Event Horizon Telescope hanno messo in piedi un nuovo metodo per verificare quali modifiche sia possibile apportare alla teoria della relatività generale di Einstein mantenendo inalterata la previsione sulle dimensioni dell’ombra del buco nero supermassiccio in M87, misurata per la prima volta da Eht nel 2017 e in perfetto accordo con le previsioni einsteiniane. I risultati sono pubblicati sulla rivista Physical Review Letters

     02/10/2020
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Simulazione del buco nero M87 che mostra il movimento del plasma mentre vortica attorno al buco nero. L’anello sottile e luminoso che può essere visto in blu è il bordo di ciò che chiamiamo l’ombra del buco nero. Crediti: L. Medeiros; C. Chan; D. Psaltis; F. Özel; UArizona; Ias

Nonostante i cent’anni trascorsi dal suo geniale concepimento e gli innumerevoli tentativi, finora falliti, di confutarla, le prove per Einstein e la sua teoria della gravitazione non sono terminate.

Tradizionalmente, i test sulla validità della relatività generale e la possibilità di apportare modifiche a questa, hanno coinvolto i corpi del Sistema solare e i sistemi binari di stelle di neutroni, per i quali si possono ottenere misure precise interpretabili con minime complicazioni astrofisiche. Negli ultimi anni, nuovi banchi di prova sono stati offerti da osservazioni su scala cosmologica e dalla rilevazione di onde gravitazionali.

Ancor più recentemente, le immagini dell’ombra del buco nero al centro della galassia M87 ottenute dal telescopio Event Horizon Telescope (Eht) nel 2017 hanno aperto la strada a una nuova serie di esami specifici nel regime di campi gravitazionali forti.

Un nuovo test condotto dalla collaborazione del telescopio Eht e pubblicato in un articolo della rivista Physical Review Letters, ha dimostrato che la teoria dell’inizio del secolo scorso secondo cui la gravità è la deformazione dello spazio-tempo dovuta a una concentrazione di materia è diventata 500 volte più difficile da battere.

Ma perché tutto questo accanimento verso il povero Einstein? E soprattutto, cosa vuol dire esattamente, 500 volte più difficile da battere?

Procediamo per ordine. Nonostante i suoi successi, la robusta teoria di Einstein rimane matematicamente inconciliabile con la meccanica quantistica, volta a descrivere e comprendere il mondo subatomico. Mettere alla prova la relatività generale, confermarne i punti di forza ed evidenziarne eventuali punti deboli, è importante per trovare una teoria ultima dell’universo in grado di unificare gravità e meccanica quantistica, la fenomenologia su larga scala con l’infinitamente piccolo.

«Ci aspettiamo che una teoria completa della gravità sia diversa dalla relatività generale, ma ci sono molti modi in cui essa può essere modificata. Abbiamo scoperto che, qualunque sia la teoria corretta, essa non può essere nettamente diversa dalla relatività generale quando si tratta di buchi neri. Ora abbiamo davvero ridotto il bacino da cui attingere qualunque possibile teoria alternativa» dice Dimitrios Psaltis, professore di astrofisica dell’UArizona e primo autore dell’articolo.

Psaltis e collaboratori, come dicevamo, hanno utilizzato proprio la prima immagine mai scattata del buco nero supermassiccio al centro della galassia M87. I primi studi sull’immagine avevano mostrato proprio che la dimensione dell’ombra del buco nero era in buon accordo con le dimensioni previste dalla relatività generale. «All’epoca non eravamo stati in grado, però, di porci la domanda opposta: quanto può essere differente una teoria della gravità dalla relatività generale ed essere ancora coerente con le dimensioni dell’ombra?» afferma Pierre Christian, ricercatore presso la UArizona. «In seguito, ci siamo chiesti se ci fosse qualcosa che potevamo fare con queste osservazioni per eliminare alcune delle opzioni alternative».

Visualizzazione del nuovo gauge sviluppato per testare le previsioni delle teorie sulla gravità modificate rispetto alla misurazione della dimensione dell’ombra M87. Crediti: D. Psaltis, UArizona; Eht Collaboration

La nuova tecnica proposta dagli scienziati per testare la teoria della gravitazione einsteiniana, passando attraverso i buchi neri supermassicci, ha coinvolto un’ampia serie di analisi e simulazioni volta a esplorare diverse modulazioni della teoria. Lo scopo: identificare quale fosse la caratteristica unica che risultasse nella determinazione precisa della dimensione dell’ombra di un buco nero. Il team si è concentrato in particolare sulla gamma di formulazioni alternative che aveva già superato tutti i test precedenti riguardanti la fisica del Sistema solare.

«In questo modo è stato possibile individuare quali fra le alternative alla relatività generale fossero in accordo con le osservazioni del telescopio Event Horizon, senza doverci preoccupare di altri dettagli», continua Lia Medeiros, ricercatrice post-dottorato dell’Istituto di Studi Avanzati di Princeton e coautrice del lavoro.

Rispondiamo quindi alla seconda domanda. Basandosi sulle teorie di campo simmetriche sviluppate nello studio e considerando come vincolo alle stesse la dimensione misurata dell’ombra del buco nero supermassiccio in M87, gli scienziati hanno potuto restringere la varietà di modifiche possibili alla relatività generale di Einstein di quasi un fattore 500 rispetto ai test precedenti nel Sistema solare. Molti dei modi precedentemente esplorati per modificare la relatività generale sono infatti falliti grazie a questo nuovo e rigoroso test sui buchi neri. A fronte di questo risultato gli autori dello studio affermano che le immagini dei buchi neri costituiscono uno strumento completamente nuovo ed efficace per testare la teoria della gravitazione.

«Diciamo sempre che la relatività generale ha superato tutti i test a pieni voti. Se avessi un centesimo per ogni volta che l’ho sentito», commenta uno dei coautori dello studio Feryal Özel della UArizona. «Ma è pur vero che, quando ci si basa su certi test, i risultati non sembrano discostarsi da quanto previsto dalla relatività generale. Quello che stiamo dicendo è che, anche se tutto ciò è corretto, per la prima volta abbiamo un calibro differente con il quale possiamo fare un test e che si è dimostrato essere 500 volte migliore, e quel calibro è la dimensione dell’ombra di un buco nero. Quando otterremo un’immagine del buco nero al centro della nostra galassia, allora potremo limitare ulteriormente le deviazioni dalla relatività generale».

Per saperne di più:

  • Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Gravitational Test beyond the First Post-Newtonian Order with the Shadow of the M87 Black Hole” di Dimitrios Psaltis, Lia Medeiros, Pierre Christian, Feryal Özel, Kazunori Akiyama, Antxon Alberdi, Walter Alef, Keiichi Asada, Rebecca Azulay, David Ball, Mislav Baloković, John Barrett, Dan Bintley, Lindy Blackburn, Wilfred Boland, Geoffrey C. Bower, Michael Bremer, Christiaan D. Brinkerink, Roger Brissenden, Silke Britzen, Dominique Broguiere, Thomas Bronzwaer, Do-Young Byun, John E. Carlstrom, Andrew Chael, Chi-kwan Chan, Shami Chatterjee, Koushik Chatterjee, Ming-Tang Chen, Yongjun Chen, Ilje Cho, John E. Conway, James M. Cordes, Geoffrey B. Crew, Yuzhu Cui, Jordy Davelaar, Mariafelicia De Laurentis, Roger Deane, Jessica Dempsey, Gregory Desvignes, Jason Dexter, Ralph P. Eatough, Heino Falcke, Vincent L. Fish, Ed Fomalont, Raquel Fraga-Encinas, Per Friberg, Christian M. Fromm, Charles F. Gammie, Roberto García, Olivier Gentaz, Ciriaco Goddi, José L. Gómez, Minfeng Gu, Mark Gurwell, Kazuhiro Hada, Ronald Hesper, Luis C. Ho, Paul Ho, Mareki Honma, Chih-Wei L. Huang, Lei Huang, David H. Hughes, Makoto Inoue, Sara Issaoun, David J. James, Buell T. Jannuzi, Michael Janssen, Wu Jiang, Alejandra Jimenez-Rosales, Michael D. Johnson, Svetlana Jorstad, Taehyun Jung, Mansour Karami, Ramesh Karuppusamy, Tomohisa Kawashima, Garrett K. Keating, Mark Kettenis, Jae-Young Kim, Junhan Kim, Jongsoo Kim, Motoki Kino, Jun Yi Koay, Patrick M. Koch, Shoko Koyama, Michael Kramer, Carsten Kramer, Thomas P. Krichbaum, Cheng-Yu Kuo, Tod R. Lauer, Sang-Sung Lee, Yan-Rong Li, Zhiyuan Li, Michael Lindqvist, Rocco Lico, Jun Liu, Kuo Liu, Elisabetta Liuzzo, Wen-Ping Lo, Andrei P. Lobanov, Colin Lonsdale, Ru-Sen Lu, Jirong Mao, Sera Markoff, Daniel P. Marrone, Alan P. Marscher, Iván Martí-Vidal, Satoki Matsushita, Yosuke Mizuno, Izumi Mizuno, James M. Moran, Kotaro Moriyama, Monika Moscibrodzka, Cornelia Müller, Gibwa Musoke, Alejandro Mus Mejías, Hiroshi Nagai, Neil M. Nagar, Ramesh Narayan, Gopal Narayanan, Iniyan Natarajan, Roberto Neri, Aristeidis Noutsos, Hiroki Okino, Héctor Olivares, Tomoaki Oyama, Daniel C. M. Palumbo, Jongho Park, Nimesh Patel, Ue-Li Pen, Vincent Piétu, Richard Plambeck, Aleksandar PopStefanija, Ben Prather, Jorge A. Preciado-López, Venkatessh Ramakrishnan, Ramprasad Rao, Mark G. Rawlings, Alexander W. Raymond, Bart Ripperda, Freek Roelofs, Alan Rogers, Eduardo Ros, Mel Rose, Arash Roshanineshat, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Chet Ruszczyk, Benjamin R. Ryan, Kazi L. J. Rygl, Salvador Sánchez, David Sánchez-Arguelles, Mahito Sasada, Tuomas Savolainen, F. Peter Schloerb, Karl-Friedrich Schuster, Lijing Shao, Zhiqiang Shen, Des Small, Bong Won Sohn, Jason SooHoo, Fumie Tazaki, Remo P. J. Tilanus, Michael Titus, Pablo Torne, Tyler Trent, Efthalia Traianou, Sascha Trippe, Ilse van Bemmel, Huib Jan van Langevelde, Daniel R. van Rossum, Jan Wagner, John Wardle, Derek Ward-Thompson, Jonathan Weintroub, Norbert Wex, Robert Wharton, Maciek Wielgus, George N. Wong, Qingwen Wu, Doosoo Yoon, André Young, Ken Young, Ziri Younsi, Feng Yuan, Ye-Fei Yuan, Shan-Shan Zhao