Realizzato il sogno di Einstein: il redshift gravitazionale del Sole misurato con grande precisione

Osservando la luce del Sole con uno spettrografo ad altissima precisione, un gruppo internazionale di ricercatori tra cui Paolo Molaro, astrofisico dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), ha misurato, con accuratezza senza precedenti, il redshift gravitazionale del Sole – un minuscolo spostamento verso il rosso della luce solare dovuto alla forza di gravità della nostra stella.

Secondo la teoria della relatività generale, pubblicata da Albert Einstein tra il 1915 e il 1916, la gravità modifica la struttura vera e propria del continuo spazio-temporale. Nulla sfugge a questa inesorabile morsa gravitazionale, nemmeno la luce che emessa da una sorgente deve vincere l’attrazione gravitazionale della sorgente stessa: il redshift gravitazionale. Così le particelle di luce solare devono vincere l’attrazione gravitazionale del Sole, perdendo un po' di energia, e di conseguenza lo spettro di lunghezze d'onde si sposta leggermente verso il rosso.

Un effetto molto, ma molto piccolo, nel caso del Sole stimato da Einstein intorno a due milionesimi della lunghezza d'onda, che fu misurato per la prima volta in laboratorio nel 1959 nell’esperimento Pound-Rebka. Finalmente, dopo numerosi tentativi nel corso di vari decenni, un nuovo studio ha confermato il redshift gravitazionale del Sole con accuratezza mai raggiunta prima grazie ad una serie di osservazioni effettuate con lo strumento HARPS (High Accuracy Radial-velocity Planet Searcher) sul telescopio di 3.6 metri presso l'osservatorio ESO di La Silla, in Cile.

“Unendo la precisione dello strumento HARPS con il Laser Frequency Comb, siamo riusciti a misurare con grande accuratezza la posizione delle linee del ferro nello spettro solare”, spiega Jonay González Hernández, ricercatore presso l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) e primo autore dell'articolo. “Questo ci ha permesso di verificare una delle predizioni della teoria della relatività generale di Einstein, il redshift gravitazionale, con una precisione di solo pochi metri al secondo”. La nuova misura corrisponde a 638 ± 6 metri al secondo, da confrontare con il valore teorico di 633 metri al secondo”.

“Il primo test pensato da Einstein per dimostrare la sua teoria è stato proprio quello di misurare il redshift gravitazionale del Sole”, spiega Paolo Molaro, astrofisico presso l'INAF di Trieste, tra gli autori dello studio pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics. “A questo scopo fu costruita una torre solare, tra il 1921 e il 1924, a Potsdam, la ‘Torre di Einstein’, ma il tentativo fallì a causa dei moti convettivi del gas nell'atmosfera solare, al tempo sconosciuti e che oscuravano l'effetto gravitazionale”, continua Molaro. “La teoria ha avuto moltissime conferme, dalle lenti gravitazionali al buco nero dell’Event Horizon Telescope, ed è normalmente applicata nel GPS, ma solo ora, dopo quasi un secolo, il progresso teorico nella comprensione dell'atmosfera solare e quello sperimentale, con la costruzione di spettrografi calibrati con il Laser Frequency Comb, hanno permesso di misurare con un'accuratezza senza precedenti il redshift gravitazionale del Sole”.

Il Laser Frequency Comb, letteralmente “pettine di frequenze laser”, concepito da Theodor Hansch, Premio Nobel per la Fisica 2005 e coautore del lavoro, è una specie di righello ad altissima precisione usato per calibrare gli spettri della luce di sorgenti astronomiche. Installato sullo strumento HARPS, prolifico “cacciatore” di pianeti al di fuori del Sistema solare, per catturare i flebili segnali della presenza di questi mondi lontani sulla luce delle loro stelle ospiti, ha permesso ai ricercatori di osservare anche il nostro Sole e mettere alla prova, ancora una volta, la teoria della relatività generale.
“Lo spettro del Sole utilizzato era stato ottenuto nel 2010 con pochi minuti di osservazione della Luna”, aggiunge Molaro. “Calibrato con uno dei primi prototipi del Laser Frequency Comb, è ancora il miglior spettro del Sole disponibile, ed è stato ora usato per la misura del redshift gravitazionale. Non male per alcuni minuti di osservazione della Luna”. 

Questi dati di altissima qualità vengono ora usati per lo studio della struttura e dinamica della fotosfera del Sole, ovvero la sua “superficie” visibile, e per affinare i modelli 3D dell'atmosfera solare. E i ricercatori già guardano al futuro. “Nuove misure con il Laser Frequency Comb montato sullo spettrografo ESPRESSO, collegato ai 4 telescopi di 8.2 m del VLT, ci permetteranno di migliorare ulteriormente queste misure”, aggiunge Rafael Rebolo, ricercatore e Direttore dell'IAC, tra i co-autori dell'articolo.



Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics nell’articolo The solar gravitational redshift from HARPS-LFC Moon spectra. A test of the General Theory of Relativity di J. I. González Hernández, R. Rebolo, L. Pasquini, G. Lo Curto, P. Molaro, E. Caffau, H.-G. Ludwig, M. Steffen, M. Esposito, A. Suárez Mascareño, B. Toledo-Padrón, R. A. Probst, T. W. Hänsch, R. Holzwarth, A. Manescau, T. Steinmetz, Th. Udem, T. Wilken