Loading...
Cerca nel sito

16. Fisica Fondamentale nello Spazio

Fisica Fondamentale nello Spazio

­Il Progetto Fisica Fondamentale nello Spazio è basato sull’analisi orbitale del satellite inseguito via laser LARES (LAser RElativity Satellite), progettato dal nostro gruppo e lanciato con successo dall’Agenzia Spaziale Italiana nel 2012, e di altri tre satelliti: LAGEOS 1, LAGEOS 2 e il futuro LARES 2 (che verrà lanciato dall’Agenzia Spaziale Italiana nel 2021). Il Progetto FISP ha come obiettivo il raggiungimento di un insieme di prove sperimentali della relatività generale tra cui la misura del fenomeno del trascinamento dei sistemi inerziali (frame-dragging) con un’accuratezza mai raggiunta prima vicina a una parte su mille, e di altri test come il principio di equivalenza. Un errore così piccolo nella misura del frame-dragging servirà a mettere limiti di validità su teorie alternative alla relatività generale, quali la teoria gravitazionale di Chern-Simons proposta per spiegare la quintessenza e l’accelerazione nell’espansione dell’universo, equivalente a teorie delle Stringhe di tipo II (heterotic). Per un confronto con altri esperimenti, si pensi che la costosissima missione spaziale GRAVITY-PROBE B della NASA, che avrebbe dovuto misurare l’effetto di frame-dragging con un errore di qualche parte su mille, ha pubblicato una misura dello stesso effetto raggiungendo soltanto un errore di circa il 20%.

L’effetto di frame-dragging è particolarmente importante in ambito astrofisico per la descrizione dei fenomeni che avvengono nelle vicinanze di alcuni oggetti come buchi neri supermassivi rotanti, e per le complesse simulazioni che descrivono la generazione di onde gravitazionali durante la collisione di buchi neri rotanti per formare un buco nero rotante (del tipo delle onde gravitazionali osservate da LIGO nel 2015) e stelle di neutroni rotanti. Il frame-dragging nel Sistema Solare è però un effetto molto debole ed una misura diretta risulta particolarmente difficile. La missione LARES misura il frame-dragging dovuto alla rotazione della Terra, utilizzando tecniche sviluppate dal nostro gruppo per estrarre il segnale dell’effetto relativistico dalle perturbazioni dovute agli effetti non relativistici.

LARES è un satellite sferico, passivo, ricavato da un singolo blocco di lega di tungsteno ad alta densità, la cui posizione è misurata con estrema precisione tramite la tecnica del Satellite Laser Ranging (simile alla tecnicca del Lunar Laser Ranging). Il satellite è stato progettato per ridurre al minimo gli effetti delle perturbazioni non gravitazionali sull’orbita.

Nel 2019 il team scientifico di LARES, mediando i dati su un lungo periodo di circa sette anni per eliminare gli errori dovuti principalmente ad effetti mareali con periodicità di alcuni anni ed altri effetti periodici, ha pubblicato una misura con un’accuratezza di qualche parte su cento che attualmente è la più accurata misura mai ottenuta, migliorando così le precedenti misure, ferme a circa il 10%. Per ottenere le misure di relatività, i dati di LARES vengono integrati con quelli provenienti dai satelliti LAGEOS (NASA) e LAGEOS 2, e con i modelli del campo gravitazionale terrestre forniti dalla missione GRACE (DLR-NASA) e dalla missione GRACE-Follow On (DLR-NASA).

LARES 2 è stato progettato per essere lanciato su un’orbita più alta rispetto a quella di LARES, con una inclinazione supplementare rispetto a quella del satellite LAGEOS 1: la combinazione delle orbite permetterà di migliorare notevolmente la precisione nella misura del frame-dragging, filtrando direttamente alcune delle maggiori perturbazioni gravitazionali classiche. Il satellite non è una copia di LARES ma il progetto è stato ottimizzato per la diversa orbita. LARES 2 ha una distribuzione omogenea di 303 retroriflettori a spigolo di cubo (o Corner Cube Retroreflector, CCR) di 1 pollice di diametro di tipo COTS (Commercial Off-the-Shelf), soluzione senza precedenti per questa tipologia di missioni. La maggiore precisione sul posizionamento del satellite permetterà anche di utilizzarlo come bersaglio per misure di geodesia spaziale.

Oltre che per misure di relatività generale e altri test di fisica fondamentale come il principio di equivalenza, alla base della relatività generale e di altre teorie gravitazionali “viabili”, i dati dell’orbita di LARES 2 verranno infatti utilizzati anche per misure di geodesia spaziale, geofisica e scienze della Terra.

Fig. Schema della missione LARES 2. L’orbita con inclinazione supplementare rispetto a quella di LAGEOS 1 permetterà di eliminare il grande trascinamento del piano orbitale dovuto alle perturbazioni gravitazionali classiche (CL) lasciando solo il piccolissimo effetto relativistico dovuto alla rotazione della Terra LT o effetto Lense-Thirring
  1. Ciufolini, A. Paolozzi, E.C. Pavlis, G. Sindoni, J. Ries, R. Matzner, R. Koenig, C. Paris, V. Gurzadyan and R. Penrose. An improved test of the general relativistic effect of frame-dragging using the LARES and LAGEOS satellites. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C, vol. 79, 872 (2019). DOI: 10.1140/epjc/s10052-019-7386-z
  2. Ciufolini, R. Matzner, A. Paolozzi, E.C. Pavlis, G. Sindoni, J.  Ries, V.  Gurzadyan, and R. Koenig, Satellite laser-ranging as a probe of fundamental physics. SCIENTIFIC REPORTS-NATURE, 9, 1-10 (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-52183-9
  3. Ciufolini, A. Paolozzi, E.C. Pavlis, R. Koenig, J. Ries, V. Gurzadyan, R. Penrose, G. Sindoni, C. Paris, H. Khachatryan, S. Mirzoyan, A test of general relativity using the LARES and LAGEOS satellites and a GRACE Earth gravity model: Measurement of Earth’s dragging of inertial frames. EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL C, 76, 120 (2016) DOI: 10.1140/epjc/s10052-016-3961-8
  4. Paolozzi, G. Sindoni, F. Felli, D. Pilone, A. Brotzu, I. Ciufolini, E.C. Pavlis and C. Paris, Studies on the materials of LARES 2 satellite. JOURNAL OF GEODESY, 1-10 (2019). DOI: 10.1007/s00190-019-01316-z

Ignazio Ciufolini

Claudio Paris