Conferma della relatività generale dalla sonda Cassini in viaggio verso Saturno

a cura di Mario Bruschi, Dipartimento di Fisica Università “La Sapienza”

relatività generale La sonda Cassini-Huygens è ancora in viaggio verso Saturno (lo raggiungerà nel Luglio 2004).

Ma nel frattempo ha già prodotto un risultato scientifico importante… buon esempio di come le indubbiamente costose missioni spaziali possano avere effetti e ricadute al di là degli scopi specifici delle missioni stesse ( e ripaghino quindi, in termini di conoscenza, gli investimenti fatti). Infatti un team di scienziati italiani, analizzando le trasmissioni radio della sonda nel suo lungo viaggio attraverso il sistema solare, è riuscito a misurare con buona precisione un effetto previsto dalla Relatività Generale, cioè la curvatura e il ritardo di onde elettro-magnetiche nella vicinanza di grandi masse (in questo caso il nostro sole). La Relatività Generale (Einstein, 1915) afferma che la struttura stessa dello spazio è influenzata dalle masse e che a sua volta questa struttura dello spazio, non più piatta (euclidea) ma ‘curvata’, influenza il moto e delle masse e dell’energia (ad esempio le onde elettro-magnetiche cioè onde radio, microonde, luce, raggi X… etc.). In effetti una prima conferma della teoria stessa si ebbe con la corretta spiegazione delle anomalie dell’orbita di Mercurio (Mercurio, essendo molto vicino al sole, risente fortemente della curvatura dello spazio generata dal sole stesso). Una seconda conferma venne nel 1919 quando un équipe della Royal Astronomy Society, fotografando il campo stellare nelle vicinanze dell’orlo del disco solare durante un’eclisse totale, dimostrò che le stelle risultavano spostate rispetto alla loro “vera” posizione. In effetti la luce delle stelle nelle vicinanze del sole, secondo la Relatività Generale, non procede più in linea retta ma, seguendo la curvatura dello spazio generata dal sole stesso, curva di circa 1,7 secondi d’arco, cosicchè arrivano all’osservatore immagini “false” della posizione delle stelle stesse. La figura sottostante illustra l’effetto, ovviamente esagerandolo per motivi di chiarezza.

curva

In realtà l’effetto è piccolo, ma misurabile; peccato che bisognava aspettare un’eclisse totale per osservarlo (altrimenti le stelle vicine all’orlo del disco del sole diventano invisibili a causa dell’abbagliante luce del sole stesso). Tuttavia, come accennato sopra, l’effetto di curvatura non riguarda solo la luce ma anche tutte le altre radiazioni elettro-magnetiche e quindi anche le trasmissioni radio tra la sonda Cassini e la Terra…Analizzando queste trasmissioni, gli scienziati sono riusciti a misurare il parametro gamma che ci dice di quanto la struttura dello spazio sia diversa da quella ‘piatta’ (geometria di Euclide, fisica di Galileo-Newton). Un parametro gamma uguale ad 1 ci direbbe che l’Universo è quello classico (Euclide-Galileo-Newton). Ma una deviazione di gamma da uno proverebbe certamente che la fisica di Newton non è corretta tuttavia non confermerebbe in sé la teoria di Einstein a meno che il valore trovato (entro gli errori sperimentali) non sia proprio quello previsto dalla relatività.

The Einstein Cross- 2237+0305 (Hershel Telescope). La luce di un Quasar viene deviata e curvata da una massiccia galassia (corpo centrale) che funge da lente gravitazionale. Come risultato si formano 4 immagini diverse e con diversa luminosità dello stesso quasar (i quattro punti luminosi a ‘croce’)

Bisogna infatti ricordare che la Relatività Generale (pur essendo stata nel frattempo confermata da altre prove sperimentali dirette e indirette oltre le due sopracitate – ad esempio dalle cosiddette lenti gravitazionali) non è tuttavia l’unica teoria della gravitazione (altre teorie le contendono tuttora il posto e inoltre permane la grandissima difficoltà della sua ‘conciliazione’ con la Meccanica Quantistica). Inoltre al parametro gamma potrebbero contribuire altri effetti non puramente gravitazionali (effetti dovuti ad ‘esotici’ campi, diversi dal campo gravitazionale, previsti da varie teorie cosmologiche).

Ora la deviazione di gamma dal valore uno misurata per le trasmissioni della sonda Cassini è compresa tra 0,000001 e 0,000044 (ricordiamo che il risultato di una misura non è mai un numero esatto bensì un intervallo in cui, se la misura è corretta, il valore ‘vero’ della grandezza misurata dovrebbe ragionevolmente cadere). Questo risultato è interessante per due motivi: primo, perchè è in accordo con il valore previsto dalla Relatività Generale e ne costituisce quindi una conferma; secondo, perchè la precisione della misura è tale che per la prima volta ci si avvicina al punto in cui eventuali deviazioni teoriche dovute a diversi modelli cosmologici (vedi sopra) dovrebbero iniziare a mostrarsi sperimentalmente.

Per approfondimenti sulla Relatività Generale, esistono innumerevoli testi e sterminato materiale in rete (a vari livelli di difficoltà – resta il fatto che per una comprensione non illusoria occorre anche una buona conoscenza fisico-matematica di base). Segnaliamo solo due siti:

http://www.ica-net.it/pascal/astronomia/relativit%C3%A0.htm

http://www.arrigoamadori.com/lezioni/RelativitaGenerale/RelativitaGenerale.htm

Fonte:

Nature 425, 374 – 376 (25 September 2003); doi:10.1038/nature01997

A test of general relativity using radio links with the Cassini spacecraft

B. BERTOTTI1, L. IESS2 & P. TORTORA3

1 Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica, Università di Pavia, Via U. Bassi 6, I-27100, Pavia, Italy
2 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale ed Astronautica, Università di Roma “La Sapienza”, Via Eudossiana 16, I-00184, Roma, Italy
3 II Facoltà di Ingegneria, Università di Bologna, Via Fontanelle 40, I-47100, Forlì, Italy

La sonda Cassini-Huygens

spacecraft-litho-th La sonda è stata lanciata dal Centro Spaziale Kennedy il 15 ottobre del 1997 e raggiungerà Saturno nel Luglio del 2004 (sette anni di viaggio). Qui l’orbiter Cassini si inserirà in orbita intorno al gigante gassoso, mentre la parte Huygens cercherà di atterrare sulla luna gigante Titano.

Titano è la più grande delle 31 lune di saturno, più grande dello stesso pianeta Mercurio. Ha una densa atmosfera di azoto, etano e metano.

L’arrivo della sonda su Titano nella fantasia di D.Seal

La sonda è stata costruita al JPL (Jet Propulsion Laboratory della NASA), ma è frutto della collaborazione tra la NASA stessa e l’ESA, l’agenzia spaziale europea. In particolare l’antenna di comunicazione ad ‘alto guadagno’ è opera dell’Agenzia Spaziale Italiana. Duecento scienziati di tutto il mondo studieranno i dati raccolti.