La teoria della relatività generale è piena di strane previsioni su come lo spazio e il tempo sono influenzati da corpi massicci. Tutto, dalle onde gravitazionali alla lente della luce da parte della materia oscura. Ma una delle previsioni più strane è un effetto noto come frame-dragging. L'effetto è così sottile che è stato misurato per la prima volta solo un decennio fa. Ora gli astronomi hanno misurato l'effetto attorno a una nana bianca e ci dice come si verificano alcune supernove.
Nella relatività generale, la gravità non è una forza. La presenza di una massa piega lo spazio attorno ad essa e ciò significa che gli oggetti che si muovono vicino alla massa vengono deviati da un percorso rettilineo. Questa deflessione sembra che l'oggetto venga tirato verso la massa come da una forza che chiamiamo gravità. Quando una grande massa ruota, anche lo spazio ruota leggermente nel senso di rotazione. È questo effetto che è noto come trascinamento del fotogramma.
Un'illustrazione del trascinamento del frame. Credito: Simon Tyran, tramite Wikipedia
Puoi vedere un'illustrazione del trascinamento del frame nella figura sopra. L'oggetto centrale è un enorme corpo rotante, come un buco nero. I punti rossi rappresentano i punti che sono 'a riposo', il che significa che non si stanno muovendoattraversospazio. Invece, si muovono perché lo spazio intorno al corpo si torce a causa della rotazione. Questo effetto di trascinamento del fotogramma si aggiunge a qualsiasi movimento orbitale che un oggetto potrebbe avere, ed è parte del motivo per cui il disco di accrescimento attorno a un buco nero può diventare così estremamente caldo.
Vicino alla Terra, l'effetto di trascinamento del fotogramma è molto ridotto. Così piccolo che è stato necessario un satellite speciale per misurarlo. Conosciuto come Gravity Probe B, il veicolo spaziale conteneva uno degli oggetti più sferici mai realizzati. Una volta nello spazio, la sfera è stata messa in rotazione e osservata nel tempo.
L'effetto di precessione di Gravity Probe B. Credito: Gravity Probe B Team, Stanford, NASA
Senza il trascinamento del fotogramma, una sfera rotante in orbita attorno alla Terra dovrebbe sempre mantenere lo stesso orientamento, come un giroscopio. La gravità della Terra non può farla ruotare da sola. Ma il frame-dragging può farlo. A causa della rotazione terrestre, la regione dello spazio più vicina alla Terra si attorciglia leggermente più velocemente della regione dello spazio più lontana. Ciò significa che la parte della sfera più vicina alla Terra riceve una piccola spinta e, di conseguenza, il suo orientamento cambia nel tempo. Chiamiamo questa precessione Lense-Thirring. Nel 2015 il team ha misurato questa precessione e concordava perfettamente con la relatività generale.
Sebbene l'effetto di trascinamento del fotogramma sia maggiore attorno a corpi massicci come nane bianche e stelle di neutroni, non è facile da misurare. Per misurare il trascinamento del fotogramma di un corpo devi avere qualcosa che lo orbita. Fortunatamente per noi, molte nane bianche e stelle di neutroni fanno parte di un sistema binario. Di recente un team ha utilizzato un sistema binario per studiare il trascinamento dei frame.
Nel 1999, l'Australian Parkes Radio Telescope ha scoperto la pulsar PSR J1141-6545. È una stella di neutroni che si trova in un'orbita binaria con una nana bianca. La distanza tra queste due stelle è solo circa la larghezza del Sole e orbitano l'una intorno all'altra ogni cinque ore.
Poiché le pulsar emettono un forte impulso radio a intervalli regolari, gli astronomi possono usarle per effettuare misurazioni estremamente accurate del movimento e dell'orbita della pulsar. Le misurazioni sono così precise che possiamo usarle per misurare gli effetti della relatività generale, incluso il trascinamento dei fotogrammi. Poiché la nana bianca sta ruotando, l'orbita della pulsar precede leggermente nel tempo. La quantità di precessione dipende dalla massa e dalla velocità di rotazione della nana bianca.
Il radiotelescopio di Parkes visto dall'area dei visitatori. Credito: Stephen West
Dopo aver osservato la pulsar per vent'anni, il team non solo ha osservato il frame-dragging, ma lo ha utilizzato per misurare la velocità di rotazione della nana bianca. Hanno scoperto che ruota una volta ogni 100 secondi, il che è abbastanza veloce per una nana bianca.
I risultati concordano con un modello popolare su come si evolvono i sistemi binari vicini. Le pulsar si formano quando le stelle grandi muoiono e diventano supernove. Ciò significa che un tempo il sistema binario era un sistema binario in cui una grande stella orbitava intorno alla nana bianca. Quando la stella ha raggiunto la fine della sua vita, il materiale dal suo strato esterno sarebbe stato catturato dalla nana bianca, facendola ruotare più velocemente. Le osservazioni mostrano che la nana bianca si è formata prima della pulsar.
Tutto questo da uno straordinario lavoro di astronomia, che misura il frame-dragging relativistico in una stella distante 12.000 anni luce.
Riferimento:Everitt, C.W.F., et al. “ Il test Gravity Probe B della relatività generale. '
Riferimento:V. Venkatraman Krishnan, et al. “ Lense-Thirring frame draging indotto da una nana bianca in rapida rotazione in un sistema pulsar binario '