Dominare la forza di gravitazione universale per viaggiare nel cosmo

    Se sapremo dominare la forza di gravità, “piegandola” ai nostri interessi, potremo molto presto raggiungere le stelle. Sarà un viaggio di sola andata o potremo fare ritorno sulla stessa Terra che abbiamo lasciato pochi anni prima? La struttura dell’Universo consente il viaggio nel Cosmo senza troppi giri di valzer intorno alla Terra? Certamente abbiamo bisogno di una nuova matematica e di una nuova tecnologia. Lo provano due studi indipendenti che per la prima volta in assoluto hanno messo a dura prova la Teoria Generale della Relatività di Albert Einstein, scritta 95 anni fa, sulla base delle osservazioni astrofisiche condotte da alcuni scienziati grazie al telescopio spaziale della Nasa, Chandra, sensibile ai raggi X. Ogni team di astrofisici ha preso in esame gli ammassi di galassie visti da Chandra, interessati dai più forti campi gravitazionali dell’Universo noto. Un risultato stima un modello di gravità alternativo alla Relatività Generale di Einstein, mentre un altro lo apprezza, per diversi ordini di grandezza, in tutto l’Universo. La prima ricerca propone un competitore da “pesi piuma” alla Relatività Generale. Un modello noto come “gravità f(R)”. “Se la Relatività Generale fosse un campione di pugilato dei pesi massimi, questa teoria potrebbe benissimo sperare di essere il principale concorrente venuto dal nulla” – fa notare Fabian Schmidt del California Institute of Technology di Pasadena (California, Usa), che ha condotto lo studio. “Il nostro lavoro mostra che la probabilità di vincere il campionato è reale”. In questi ultimi anni molti fisici (anche italiani) hanno concentrato la loro attenzione all’elaborazione di teorie alternative alla Relatività Generale, non per viaggiare subito nel Cosmo ma per spiegare l’attuale tasso di accelerazione dell’espansione dell’Universo osservata dal Telescopio Spaziale Hubble in 20 anni di onorato servizio. Attualmente la spiegazione più accreditata nella comunità scientifica internazionale, è chiamata: Costante Cosmologica che può essere immaginata, capita e compresa come una forma di Energia che esiste nello spazio vuoto. A questa Energia è stato attribuito l’aggettivo di “Oscura” semplicemente perché non è direttamente osservabile e rilevabile con gli attuali esperimenti ed osservatori astronomici terrestri e spaziali. Per ora.

    Ma perché spiegare come complessa una realtà che potrebbe essere molto più semplice di quanto finora immaginato? Nel nuovo modello f(R), l’accelerazione cosmica potrebbe essere spiegata non come fatto finora da una forma esotica di Energia del vuoto, ma (fate bene attenzione!) da una modificazione della forza gravitazionale, magari a livello cosmico e/o locale. Le implicazioni sarebbero davvero sconvolgenti. Paradossalmente Newton, e prima ancora Galilei, avevano ragionato proprio sugli effetti macroscopici “locali” della gravità nei loro esperimenti. Per andare sulla Luna, abbiamo usato la tecnologia “derivata” dalla Teoria di Newton. Oggi la scala è diventata “cosmica”, per cui potremmo essere davvero vicini a una rivoluzione senza precedenti nella storia dell’Umanità, in quanto è a livello di gravità quantistica che occorre lavorare per elaborare una Teoria della Gravità in grado di “unificare” la scala dell’infinitamente piccolo “locale” alla scala dell’infinitamente grande “universale”. Non è facile “cucire” una Teoria della Gravitazione Universale che consenta un giorno il viaggio interstellare. E lo si è visto nelle osservazioni astrofisiche condotte dall’osservatorio Chandra. Anche sole piccole modifiche della forza di gravitazione universale hanno implicazioni considerevoli. Fabian Schmidt e colleghi hanno utilizzato le stime di massa di 49 ammassi di galassie nell’universo locale da osservazioni di Chandra, confrontandoli con le previsioni basate su modelli teorici e studi di supernovae, radiazione cosmica di fondo e distribuzione su larga scala delle galassie. Non hanno trovato prove che la gravità sia diversa dalla Relatività Generale su scale più grandi di 130 milioni di anni luce. Questo limite corrisponde ad un miglioramento di cento volte sui limiti del campo della forza gravitazionale modificata, che può essere impostato senza utilizzare i dati degli ammassi. “Questo è il vincolo più forte mai raggiunto in alternativa alla Relatività Generale su tali grandi scale di distanza – spiega Schmidt. “I nostri risultati dimostrano che siamo in grado di misurare la gravità rigorosamente su scale cosmologiche utilizzando le osservazioni degli ammassi di galassie”.

    Le forze gravitazionali che agiscono nei gruppi di galassie possono contrastare l’espansione cosmica. La tecnica osservativa appena verificata promette anche di essere un buon “telescopio” per la scoperta di altri scenari di gravità modificata, magari per nuovi modelli e teorie della gravità (superstringhe) che prevedano dimensioni spaziotemporali “extra”. Un secondo studio indipendente rinforza la Relatività Generale direttamente su tutte le distanze cosmologiche e i tempi finora osservati. Finora, la Relatività Generale è stata verificata solo con esperimenti da laboratorio sulla scala del Sistema Solare, lasciando la porta aperta alla possibilità che la Teoria di Einstein fosse anche buona su scale molto più grandi. Lo ha fatto un gruppo dell’Università di Stanford, con l’astrofisico David Rapetti in prima linea. Le osservazioni di Chandra hanno permesso di verificare quanto rapidamente gli ammassi di galassie siano cresciuti nel tempo sulla base delle previsioni della Relatività Generale. Il risultato è quasi di completo accordo tra osservazione e Teoria. Rapetti ha scoperto che la Teoria di Einstein funziona alla grande, calcolando questa volta quanti ammassi di galassie si sono formati sotto la spinta della gravità negli ultimi cinque miliardi di anni. David Rapetti dell’Istituto di Astrofisica e Cosmologia (KIPAC) della Stanford University e del National Accelerator Laboratory, che ha condotto lo studio, sostiene che “è eccitante e rassicurante, i nostri risultati sono la prova della consistenza più robusta della Relatività Generale su scala cosmologica”.

    Carina Nebula

    Rapetti e colleghi hanno basato i loro risultati su un campione di 238 ammassi di galassie individuati in cielo dall’ormai defunto telescopio a raggi X, Rosat. Questi dati sono stati potenziati da misure dettagliate di massa per 71 ammassi lontani usando il Chandra e 23 gruppi relativamente vicini usando il Rosat, combinate con studi di supernovae, radiazione cosmica di fondo, distribuzione delle galassie e stime della distanza degli ammassi. Gli ammassi di galassie sono oggetti importanti nella ricerca, per comprendere l’universo nel suo insieme. Poiché le osservazioni delle masse degli ammassi di galassie sono direttamente sensibili alle proprietà della gravità, questi oggetti forniscono informazioni fondamentali. Altre tecniche, come osservazioni di supernovae o della distribuzione delle galassie a distanze cosmiche, dipendono solo dalla velocità di espansione dell’universo. Al contrario, la tecnica di Rapetti e colleghi, misura il tasso di crescita della struttura cosmica spinta dalla gravità. “L’Accelerazione cosmica rappresenta una grande sfida per la nostra comprensione della fisica moderna – rivela Rapetti co-autore della scoperta insieme ad Adam Mantz del NASA’s Goddard Space Flight Center in Maryland. “Misure di accelerazione hanno messo in evidenza quanto poco sappiamo della gravità su scala cosmica, ma adesso stiamo iniziando a superare la nostra ignoranza”. Lo studio di Fabian Schmidt è stato pubblicato sulla Physics Review D, Volume 80, nell’ottobre 2009: ne sono coautori Alexey Vikhlinin dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, e Wayne Hu dell’Università di Chicago, Illinois (Usa). Lo studio di David Rapetti è stato recentemente accettato per la pubblicazione sul Monthly Notices della Royal Astronomical Society. Ne sono coautori Mantz, Steve Allen del KIPAC di Stanford e Harald Ebeling dello Institute for Astronomy delle Hawaii.

    Di sicuro non faremo la fine del comandante George Taylor (Charlton Heston) nella saga de “Il Pianeta delle scimmie” (Usa 1968, regia di Franklin J. Schaffner, pellicola ineguagliabile) a bordo della sua astronave proiettata in pochi mesi di viaggio interstellare, quasi alla velocità della luce, ben duemila anni avanti nel futuro della Terra. Incredibile è la sequenza iniziale. Basato sul romanzo “La planète des singes” di Pierre Boulle, gli astronauti Taylor, Landon e Dodge nel film si risvegliano dall’ibernazione nell’anno 3978, poco dopo lo schianto della loro astronave in un lago su di un misterioso pianeta del tutto simile alla Terra. Un mondo distrutto dalla razza umana e dominato dalle scimmie. Oggi, invece, è sempre più probabile lo scenario della nave stellare Venture Star in arrivo su Alpha Centauri grazie all’intrapresa della compagnia privata Rda, nel capolavoro “Avatar” di James Cameron.

    Nicola Facciolini