Rappresentazione artistica di 4U 1916-053 in cui sono presenti due stelle in un’orbita notevolmente ravvicinata: il nucleo di una stella a cui sono stati strappati i suoi strati esterni – con una densità molto maggiore di quella del Sole – e una stella di neutroni, un oggetto ancora più denso creato quando una stella massiccia collassa in un’esplosione di supernova. La stella di neutroni (grigia) è raffigurata al centro di un disco di gas caldo estratto dalla sua compagna (la stella bianca a sinistra). Nel riquadro è visibile lo spettro in cui si nota l’assorbimento dovuto al ferro, a lunghezze d’onda maggiori di quelle a cui ci si aspetterebbe di trovare le righe in laboratorio sulla Terra (righe blu verticali). Crediti: Nasa/Cxc/M.Weiss
Cosa hanno in comune Albert Einstein, il Global Positioning System (Gps) e una coppia di stelle a 300 milioni di miliardi di chilometri dalla Terra?
La risposta è un effetto della teoria della relatività generale di Einstein chiamato redshift gravitazionale, per il quale la lunghezza d’onda della luce viene spostata verso colori più rossi a causa della gravità. Utilizzando il telescopio spaziale a raggi X Chandra della Nasa, gli astronomi hanno scoperto questo fenomeno in due stelle in orbita l’una attorno all’altra nella nostra galassia, a circa 29mila anni luce dalla Terra.
Sebbene gli scienziati abbiano trovato prove incontrovertibili dei redshift gravitazionali nel Sistema solare, non è stato facile osservarli in oggetti più distanti nello spazio. I nuovi risultati di Chandra forniscono prove convincenti degli effetti gravitazionali del redshift in gioco in un nuovo scenario cosmico.
L’intrigante sistema oggetto dello studio pubblicato su The Astrophysical Journal Letter – noto come 4U 1916-053 – contiene due stelle caratterizzate da un’orbita notevolmente ravvicinata. Una è il nucleo di una stella a cui sono stati strappati i suoi strati esterni, con una densità molto più alta di quella del Sole. L’altra è una stella di neutroni, un oggetto ancora più denso che si forma quando una stella massiccia collassa in un’esplosione di supernova.
Queste due stelle compatte distano tra loro solo circa 350mila chilometri, all’incirca la distanza tra la Terra e la Luna. Ma mentre la Luna orbita attorno al nostro pianeta in un mese, in 4U 1916-053 la densa stella compagna completa un’orbita attorno alla stella di neutroni in soli 50 minuti.
Gli scienziati che hanno utilizzato i dati di Chandra hanno trovato prove di un effetto previsto da Einstein, conosciuto come redshift gravitazionale, in una coppia di stelle in orbita nella Galassia. In precedenza, avevano trovato prove incontrovertibili di questo fenomeno nel Sistema solare, ma è stato difficile osservarlo in oggetti più distanti. I dati di Chandra mostrano questo effetto negli spettri X di 4U 1916-053, in cui sono evidenti spostamenti delle righe del ferro e del silicio. Crediti: Nasa/Cxc/University of Michigan/N. Trueba et al.
Nel nuovo studio su 4U 1916-053, il team ha analizzato gli spettri a raggi X, ovvero la quantità di raggi X alle diverse lunghezze d’onda, derivati dai dati di Chandra. Negli spettri hanno trovato la firma caratteristica dell’assorbimento della radiazione da parte del ferro e del silicio. In tre osservazioni separate, i dati mostrano un forte calo della quantità di radiazione rilevata vicino alle lunghezze d’onda in cui si prevede che gli atomi di ferro e silicio assorbano i raggi X.
Ciò che hanno riscontrato è che le lunghezze d’onda di questi segni caratteristici di ferro e silicio risultano spostate a lunghezze d’onda più lunghe (o più rosse) rispetto ai valori riscontrabili in laboratorio, sulla Terra. I ricercatori hanno trovato che lo spostamento è lo stesso in ciascuna delle tre osservazioni di Chandra e che è troppo grande per essere spiegato dal solo movimento di allontanamento da noi. Hanno quindi concluso che è causato proprio dal redshift gravitazionale.
Vi state chiedendo come questo si colleghi con la relatività generale e il Gps? Come previsto dalla teoria di Einstein, gli orologi soggetti a un forte campo gravitazionale scorrono più lentamente rispetto a quelli di una regione che sperimenta una gravità più debole. Ciò significa che gli orologi sulla Terra osservati dai satelliti in orbita scorrono più lentamente. Per avere l’alta precisione richiesta dalle applicazioni Gps, questo effetto deve necessariamente essere preso in considerazione o altrimenti ci sarebbero piccole differenze temporali che si sommerebbero rapidamente, portando a posizioni imprecise.
Anche tutti i tipi di radiazione – inclusi i raggi X – sono influenzati dalla gravità. Per analogia, pensate a una persona che corre su per una scala mobile che però sta scendendo. Mentre lo fa, la persona consuma più energia di quella che consumerebbe se la scala mobile fosse ferma, o se addirittura salisse. La forza di gravità ha un effetto simile sulla luce, dove una perdita di energia comporta una frequenza inferiore. Poiché la luce nel vuoto viaggia sempre alla stessa velocità, la perdita di energia e la frequenza più bassa implicano che la luce – comprese le firme di ferro e silicio – si sposta a lunghezze d’onda maggiori.
Quella descritta in questo articolo è la prima forte prova per cui le firme di assorbimento vengono spostate a lunghezze d’onda maggiori dalla gravità in una coppia di stelle in cui è presente una stella di neutroni o un buco nero. Precedentemente, una forte evidenza di redshift gravitazionale era stata osservata dalla superficie delle nane bianche, con spostamenti della lunghezza d’onda tipicamente di circa il 15 percento di quella riscontrata per 4U 1916-053.
Gli scienziati sostengono che è probabile che sia presente un’atmosfera gassosa che ricopre il disco vicino alla stella di neutroni, che ha assorbito i raggi X producendo questi risultati. La dimensione dello spostamento verso il rosso negli spettri ha permesso al team di calcolare quanto sia lontana questa atmosfera dalla stella di neutroni, utilizzando la relatività generale e assumendo una massa standard per la stella di neutroni. Hanno così scoperto che l’atmosfera si trova a 2400 chilometri dalla stella di neutroni, equivalente allo 0.7 percento della distanza tra la stella di neutroni e la compagna. Probabilmente si estende per diverse centinaia di chilometri dalla stella di neutroni.
In due dei tre spettri c’è anche evidenza di firme di assorbimento spostate a lunghezze d’onda ancora più rosse, corrispondenti a una distanza di solo lo 0.04 percento della distanza dalla stella di neutroni alla compagna. Tuttavia, queste firme vengono rilevate con minore certezza rispetto a quelle più lontane dalla stella di neutroni. Per studiare questo sistema in modo più dettagliato, agli scienziati è stato assegnato un ulteriore tempo di osservazione di Chandra nel prossimo anno.
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal Letter l’articolo “A Redshifted Inner Disk Atmosphere and Transient Absorbers in the Ultra-Compact Neutron Star X-ray Binary 4U 1916-053” di Nicolas Trueba, J.M. Miller, A.C. Fabian, J. Kaastra, T. Kallman, A. Lohfink, D. Proga, J. Raymond, C. Reynolds, M. Reynolds, A. Zoghbi
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