A cento anni dalla formulazione della Relatività Generale di Einstein stanno arrivando conferme sperimentali sempre più accurate di alcuni dei più affascinanti e misteriosi fenomeni previsti dalla teoria gravitazionale di Einstein, fenomeni talmente piccoli intorno al nostro pianeta Terra da non poter essere osservati prima. Dopo la misura diretta delle onde gravitazionali, spiega l’ASI, degli interferometri laser LIGO che hanno letteralmente filmato la collisione di due buchi neri rotanti con la formazione finale di un unico buco nero rotante e un’enorme emissione di energia sotto forma di onde gravitazionali emesse ad una distanza di oltre un miliardo di anni luce, arriva ora un’accurata misura dell’effetto di frame-dragging (trascinamento dei sistemi di riferimento inerziali) grazie al satellite LARES dell’Agenzia Spaziale Italiana. Lo studio è stato pubblicato su European Physical Journal C.
“L’effetto di frame-dragging – spiega Ignazio Ciufolini all’ASI, PI di Lares e primo autore della ricerca – consiste nella deformazione e trascinamento dello spaziotempo dovuta ad un corpo rotante e più in generale ad ogni corrente di massa-energia. Si potrebbe fare un’analogia con la deformazione del miele (lo spaziotempo) trascinato dalla rotazione di una sfera al centro di un recipiente contenente il miele stesso”. “Le onde gravitazionali –prosegue l’autore – recentemente misurate, che hanno iniziato l’astronomia gravitazionale, hanno coinvolto due buchi neri rotanti che durante le fasi finali della loro collisione orbitavano uno intorno all’altro con una velocità che ha raggiunto metà della velocità della luce. L’effetto di frame-dragging, descritto da uno spaziotempo di un buco nero rotante, detto di Kerr, ha avuto un ruolo fondamentale nella dinamica della formazione del risultante buco nero rotante e nel calcolo dell’emissione delle onde gravitazionali”.
Il satellite LARES lanciato dall’ESA il 13 febbraio 2012 grazie al vettore europeo a trazione italiana VEGA, è un satellite di lega di tungsteno di 386,8 kg di massa e 18,2 cm di raggio inseguito via laser. LARES è, continua l’ASI, il singolo oggetto noto più denso del sistema solare, così progettato proprio per diminuire le varie perturbazioni dell’orbita del satellite dovute agli effetti non–gravitazionali come la pressione di radiazione. Il VEGA ha inserito il satellite LARES nell’orbita voluta con una precisione eccezionale. L’orbita del LARES è misurata con precisione millimetrica grazie alla tecnica del “laser-ranging”. Si inviano impulsi laser che vengono riflessi dai retro-riflettori posti sul satellite. Dal tempo di andata e ritorno degli impulsi laser si misura così la distanza del satellite da terra e quindi con grande precisione la sua orbita.
Le precedenti misure dell’effetto di frame-dragging erano state ottenute con i satelliti LAGEOS e con la missione GP-B ma, sottolinea l’ASI, avevano un’accuratezza di qualche decina percento. Ora, grazie al LARES, si è raggiunta un’accuratezza di circa il 5% nella misura dell’effetto di frame-dragging analizzando circa 100 milioni di misure di distanza via laser dei satelliti LARES, LAGEOS e LAGEOS 2.
La collaborazione internazionale guidata dall’ASI e dall’Italia, con le università del Salento, Sapienza e Centro Fermi, ha coinvolto USA, Germania, Armenia e Regno Unito. Tra gli autori figura anche uno dei più grandi studiosi di relatività di tutti i tempi, Sir Roger Penrose, che per primo ha dimostrato l’ineluttabile formazione delle singolarità spaziotemporali come conseguenza del collasso gravitazionale all’interno di un buco nero. Nelle singolarità il tempo e lo spazio cessano di esistere e questo è uno dei misteri più profondi della fisica contemporanea.
Per raggiungere l’obiettivo di una misura di circa l’uno per cento bisognerà però attendere ancora del tempo per poter accumulare altri dati orbitali dal satellite LARES. L’effetto di frame-dragging dovuto alla rotazione della Terra è piccolissimo sui satelliti LARES, LAGEOS e LAGEOS 2 e ammonta soltanto a pochi metri l’anno ma può essere enorme intorno a buchi neri supermassicci rotanti con effetti eclatanti anche sul tempo. Una misura sempre più accurata dell’effetto di frame-dragging non solo consentirà una migliore modellizzazione delle onde gravitazionali prodotte da sistemi binari rotanti e conseguentemente una migliore identificazione del tipo di sorgente, ma avrà anche importanti implicazioni nel provare sperimentalmente teorie alternative della gravitazione proposte per spiegare l’espansione accelerata dell’universo e il conseguente mistero dell’energia oscura e della quintessenza che formano la maggior parte del nostro universo. Alcune di queste teorie, come la teoria delle stringhe di Chern-Simons, prevedono infatti un valore differente per l’effetto di frame-dragging anche sui satelliti intorno alla Terra.
