Einstein ha ancora ragione, la relatività passa (per ora) il test delle onde gravitazionali

La collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA ha pubblicato un nuovo test della teoria della relatività generale di Einstein, utilizzando il segnale di onde gravitazionali più chiaro mai rivelato: GW250114. In tutti i test, le osservazioni corrispondono alle previsioni della teoria.

Dalla sua pubblicazione, oltre cento anni fa, la teoria della relatività generale di Albert Einstein ha rivoluzionato la fisica e la nostra conoscenza dell’universo, e verificarne l’accuratezza in diversi scenari è stata una missione fondamentale della fisica sperimentale. Le ricercatrici e i ricercatori della collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA hanno appena pubblicato un articolo che descrive uno dei test più precisi della teoria della relatività generale di Einstein fino ad oggi, svolto utilizzando i dati di GW250114, il segnale di onda gravitazionale più chiaro rivelato fino ad oggi.

La chiarezza di questo segnale consente di ottenere informazioni molto accurate sull’evento che lo ha generato e sui parametri del segnale stesso. Ciò si era già dimostrato prezioso quando, a settembre, la collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA aveva pubblicato una ricerca che confermava il teorema dell’area dei buchi neri di Stephen Hawking utilizzando i dati di questo stesso segnale di onde gravitazionali. Questa volta invece GW250114 è stato utilizzato per studiare le previsioni della relatività generale di Einstein, alla ricerca di eventuali deviazioni da essa che potessero suggerire una nuova fisica che va oltre ciò che conosciamo oggi. 

Il team di ricerca internazionale ha ottenuto alcuni dei risultati chiave utilizzando un metodo noto come spettroscopia dei buchi neri. La ricerca si è concentrata sul ringdown del segnale GW250114 – la fase in cui il buco nero raggiunge il suo stato finale subito dopo la fusione – e sullo spettro caratteristico dei modi, o toni, emessi durante questa fase.

“Quando due buchi neri si fondono, la collisione risuona come una campana, emettendo toni specifici caratterizzati da due numeri: una frequenza oscillatoria e un tempo di smorzamento”, ha affermato il fisico della Cornell University Keefe Mitman, coautore dello studio. “Se si misura un tono nei dati di una collisione, è possibile calcolare la massa e lo spin del buco nero formatosi nella collisione. Ma se si misurano due o più toni nei dati – cosa che un segnale chiaro come GW250114 consente – ciascuno di essi fornisce effettivamente una misurazione diversa della massa e dello spin, secondo la relatività generale. 

“Se queste due misurazioni concordano tra loro, si sta effettivamente verificando la relatività generale”, ha detto Mitman. “Ma se si misurano due toni che non corrispondono alla stessa combinazione di massa e spin, si può iniziare a indagare quanto ci si è allontanati dalle previsioni della teoria”. GW250114 era abbastanza chiaro da consentire ai ricercatori di misurare due toni e porre limiti su un terzo. Tutti concordano con la relatività generale di Einstein. 

“L’idea è che l’analisi delle diverse parti del segnale dovrebbe produrre risultati coerenti se la relatività generale è valida e i nostri modelli sono sufficientemente accurati”, ha affermato Jacob Lange dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Sezione di Torino, altro coautore e analista del progetto. “Per GW250114, abbiamo ottenuto un risultato coerente con la Relatività Generale con una precisione senza precedenti. Ciò è stato possibile grazie alla spettacolare intensità di questo segnale. In futuro, questi segnali più forti diventeranno sempre più comuni. Se esistono deviazioni dalla RG, questi segnali saranno la finestra attraverso la quale le scopriremo”.

“Queste tecniche offrono uno strumento unico per studiare la gravità nei suoi regimi più estremi, rivelando informazioni dallo spazio-tempo nelle immediate vicinanze di un buco nero. In quanto tali, sono uno strumento prezioso per approfondire una vasta gamma di argomenti di fisica fondamentale attraverso le osservazioni”, ha affermato Vasco Gennari, dottorando presso il Laboratoire des 2 Infinis di Tolosa e analista del progetto. “Le future campagne di osservazione con sensibilità più elevate ridurranno ulteriormente le incertezze in queste misurazioni, rafforzando la nostra capacità di convalidare tali test e, per la prima volta, consentendoci di mettere in discussione altre previsioni del programma di spettroscopia dei buchi neri. Questo traguardo corona decenni di ricerca in questo campo, ma resta ancora molto lavoro da fare per caratterizzare appieno questo regime apparentemente semplice”.

Credit immagine: H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), K. Mitman (Cornell University)

La Collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA

LIGO è finanziato dalla NSF e gestito da Caltech e MIT, che hanno ideato e realizzato il progetto. Il sostegno finanziario al progetto Advanced LIGO è stato guidato dalla NSF, con significativo impegno e contributi da parte di Germania (Max Planck Society), Regno Unito (Science and Technology Facilities Council) e Australia (Australian Research Council). Oltre 1.600 scienziati di tutto il mondo partecipano al progetto attraverso la LIGO Scientific Collaboration, che include la GEO Collaboration. Altri partner sono elencati sul sito https://my.ligo.org/census.php.

La Collaborazione Virgo è attualmente composta da circa 1.000 membri provenienti da 175 istituzioni di 20 paesi diversi (principalmente europei). L’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) ospita il rivelatore Virgo vicino a Pisa ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Subatomica (Nikhef) nei Paesi Bassi, dalla Fondazione per la Ricerca delle Fiandre (FWO) e dal Fondo Belga per la Ricerca Scientifica (F.R.S.-FNRS). Un elenco dei gruppi della Collaborazione Virgo è disponibile all’indirizzo: https://www.virgo- gw.eu/about/scientific-collaboration/. Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web di Virgo: https://www.virgo-gw.eu.

KAGRA è un interferometro laser con bracci di 3 km a Kamioka, Gifu, Giappone. L’istituto ospitante è l’Istituto per la Ricerca sui Raggi Cosmici (ICRR) dell’Università di Tokyo, e il progetto è co-ospitato dall’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone (NAOJ) e dall’Organizzazione per la Ricerca sugli Acceleratori ad Alta Energia (KEK). La collaborazione KAGRA è composta da oltre 400 membri provenienti da 128 istituti di 17 Paesi/regioni. Le informazioni sul KAGRA per il pubblico generale sono disponibili sul sito web https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Le risorse per i ricercatori sono accessibili da http://gwwiki.icrr.u-okyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.