Un cataclisma cosmico consente un test preciso della relatività generalemattia
Ven, 07/10/2020 – 10:31


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Redazione

Nel gennaio 2019, i telescopi MAGIC hanno osservato per la prima volta radiazione gamma di alte energie da un cataclisma cosmico denominato gamma-ray-burst (GRB, esplosione di raggi gamma) durante il quale per un breve istante viene immessa nello spazio una quantità di energia pari a quella

che si otterrebbe bruciando la massa di 2.000 Terre. Attraverso lo studio dettagliato del tempo di arrivo di questa radiazione, gli scienziati di MAGIC potrebbero confermare ancora una volta che la velocità della luce è costante nel vuoto e non dipende dall’energia, un fatto predetto all’interno della teoria della relatività generale di Einstein. Lo studio è stato ora pubblicato in Physical Review Letters.

La relatività generale di Einstein è la teoria che spiega come massa ed energia interagiscono nello spazio-tempo, creando un fenomeno comunemente noto come gravità. La relatività generale è stata testata numerose volte con vari esperimenti di diverse ‘dimensioni’, da quelle del laboratorio a quelle cosmiche. Tutti hanno sempre confermato che la velocità della luce è costante e pari a c=300mila km/s. 

Tuttavia, i fisici sospettano che la relatività generale non sia la teoria più fondamentale e che potrebbe esistere una descrizione meccanica quantistica sottostante della gravità, indicata come gravità quantistica. Alcune teorie di gravità quantistica ritengono che la velocità della luce potrebbe dipendere dall’energia. Questo ipotetico fenomeno e’ noto come Violazione dell’invarianza di Lorentz (LIV). Si ritiene che i suoi effetti siano troppo piccoli per essere misurati, a meno che non siano accumulati per un tempo molto lungo o per enormi distanze, e che riguardino fotoni di energia estremamente elevata. Ecco che intervengono le sorgenti astronomiche di raggi gamma. I lampi di raggi gamma (GRB) sono esplosioni cosmiche potenti e lontane, che emettono segnali brevi e intensi, altamente variabili ed energici. Sono quindi eccellenti laboratori per prove sperimentali di gravità quantistica. I fotoni di diversa energia prodotti durante questa esplosione, viaggiando miliardi di anni, accumulerebbero ritardo tra di loro, prima di raggiungere la Terra, portando ad un ritardo temporale di qualche secondo, quindi misurabile.

I GRB vengono rilevati quotidianamente con strumenti scientifici su satellite, che osservano ampie porzioni di cielo, ma a energie inferiori rispetto ai telescopi terrestri come MAGIC. Il 14 gennaio 2019, i telescopi MAGIC ha rilevato il primo GRB nel dominio delle energie teraelettronvolt (TeV, 1000 miliardi di volte più energico della luce visibile), registrando quindi di gran lunga i fotoni più energetici mai osservati da un tale oggetto. Sono state eseguite analisi multiple per studiare la natura di questo oggetto

e l’altissima radiazione energetica. Tomislav Terzić, ricercatore dell’università di Rijeka, afferma: “Nessuno studio LIV è mai stato condotto su dati GRB nella gamma di energia TeV, semplicemente perché finora non c’erano tali dati. Per oltre vent’anni abbiamo anticipato che tale osservazione avrebbe potuto aumentare la sensibilità agli effetti LIV, ma non abbiamo potuto dire di quanto fino a vedere i risultati finali della nostra analisi”.

Naturalmente, gli scienziati di MAGIC hanno voluto utilizzare questa osservazione unica per cercare gli effetti del gravità quantistica. All’inizio, tuttavia, hanno dovuto affrontare un ostacolo: il segnale del GRB non solo e’ stato breve, ma il suo affievolimento nel tempo ha seguito un andamento regolare.

Sebbene questa fosse una scoperta interessante per gli astrofisici che studiavano GRB, non era favorevole per i test LIV. Daniel Kerszberg, un ricercatore dell’IFAE di Barcellona, ha dichiarato: “Quando si confrontano i tempi di arrivo di due raggi gamma di energie diverse, si presume che siano stati emessi istantaneamente dalla sorgente. Tuttavia, la nostra conoscenza dei processi negli oggetti astronomici non è ancora abbastanza precisa per individuare il tempo di emissione di un dato fotone”.

Tradizionalmente gli astrofisici si basano su variazioni riconoscibili del segnale per limitare il tempo di emissione dei fotoni. Un segnale che cambia regolarmente non ha queste caratteristiche. Quindi, i ricercatori hanno usato un modello teorico, che descrive l’emissione prevista di raggi gamma prima che i

telescopi MAGIC iniziassero ad osservare. Il modello include un rapido aumento del flusso, l’emissione di picco e un decadimento regolare come quello osservato da MAGIC. Ciò ha fornito agli scienziati la possibilità di cacciare LIV.

L’analisi tuttavia ha rivelato che nonostante miliardi di anni di viaggio, nessun ritardo dipendente dall’energia si fosse accumulato nei tempi di arrivo dei raggi gamma. Einstein sembra ancora avere ragione. “Questo, tuttavia, non significa che il team MAGIC sia stato lasciato a mani vuote”, ha detto Giacomo D’Amico, un ricercatore del Max Planck Institute for Physics di Monaco; “Siamo stati in grado di stabilire forti vincoli sulla scala energetica della GQ”. I limiti stabiliti in questo studio sono comparabili ai migliori limiti disponibili ottenuti usando osservazioni GRB con rivelatori satellitari o usando osservazioni a terra di nuclei galattici attivi.

Aggiunge Michele Doro, professore del dipartimento di Fisica e Astronomia dell’università di Padova: “Nonostante non si sia osservata una violazione dell’invarianza di Lorentz, ciò non significa che questa non esista. Essa potrebbe venire semplicemente “poco piu in là” di dove abbiamo osservato finora. Questo ci sprona a continuare la ricerca e cercare oggetti sempre più energetici e sempre più distanti”.

SCIENZA E RICERCA

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