Una nana bianca conferma la costante di struttura fine alpha

File:Hubble m4wd.jpg

Il telescopio spaziale Hubble, il 28 agosto 1995, ha puntato la piccola porzione indicata col quadrato dell’ammasso globulareM4, nella costellazione dello Scorpione, trovandovi 75 nane bianche. Alcune di esse sono indicate da un cerchio. (Credit: Hubble Space Telescope).

Un team internazionale di scienziati, coordinati dal Dipartimento di Astronomia dell’università di New South Wales, ha studiato un gruppo di stelle molto distanti da noi dotate di una gravità di oltre 30.000 volte superiore a quella della Terra. L’obiettivo? Testare un’ipotesi controversa secondo cui le costanti in natura non sono affatto costanti.  Utilizzando il telescopio spaziale Hubble, gli astronomi hanno cercato di capire se l’intensità della forza elettromagnetica viene alterata nel forte campo gravitazionale di una nana bianca. Martin Barstow, dell’Università di Leicester, presenterà i risultati al National Astronomy Meeting di St Andrews, in Scozia: in attesa di essere pubblicati sulla rivista Physical Review Letters, l’articolo è disponibile su arxiv.org

Il valore delle costanti cosmologiche ha da molto tempo suscitato non pochi dibattiti tra i cosmologi, inducendo alcuni di essi a formulare addirittura ipotesi come il noto principio antropico. La forza elettromagnetica è una delle quattro forze fondamentali e nel Modello Standard è data da un numero puro, senza unità, conosciuto come la costante di struttura fine. Combinando la velocità della luce, la carica elettrica di un elettrone e la costante di Planck, alpha è sempre stata misurata sulla Terra e  ha sempre lo stesso valore, circa 1/137,0359.

La costante di struttura fine alpha, che pone in relazione le principali costanti fisiche dell’elettromagnetismo, è pari a 1/137,0359: se essa fosse appena il 4% superiore o inferiore a tale valore, le stelle non sarebbero in grado di produrre carbonio e ossigeno e, di conseguenza, nell’universo non sarebbe potuta svilupparsi la vita quale la conosciamo. Come spieghiamo i cambiamenti di alpha nelle diverse regioni dell’Universo? Più precisamente, in presenza di forti campi gravitazionali? Recenti osservazioni sulla luce proveniente dai quasar distanti sono un indizio di un fatto che potrebbe diventare inquietante: la costante di struttura fine varia nel cielo a grandi distanze. Purtroppo ad oggi non esiste alcun modo per controllarne le variazioni. Alcune teorie prevedono che alpha varia in presenza di campi scalari esotici come quelli che vengono invocati per contribuire a unire il Modello Standard con la teoria della Relatività Generale di Einstein. Un’altra idea è che le nane bianche, i resti compatti di stelle massicce come il Sole che hanno raggiunto l’ultima stagione della loro vita, sono un laboratorio naturale ideale per testare questa idea. Con un sacco di materia compressa in una sfera delle dimensioni della Terra hanno, infatti, forti campi gravitazionali. “Lo studio apre nuove possibilità per la ricerca di stelle esotiche e per i campi scalari, le forme di energia che spesso compaiono nelle teorie che cercano di coniugare il Modello Standard della fisica delle particelle con la Relatività Generale di Einstein,” ha commentato Martin Barstow.

Misurando il valore di alpha nei pressi di una nana bianca, e confrontandolo con il relativo valore ottenuto in laboratorio, gli astronomi possono indirettamente sondare se esistano effettivamente questi campi scalari alfa-mutevoli. Il team ha misurato questa costante in una nana bianca, G191-B2B, utilizzando ferro e ioni di nichel  intrappolati nell’atmosfera della nana bianca. Nonostante il forte campo gravitazionale – quasi 100.000 volte quello della Terra – gli ioni rimangono al di sopra della superficie perché sono continuamente spinti dalla forte radiazione della stella. Gli ioni assorbono parte della luce della nana bianca realizzando un vero e proprio “spettro di assorbimento” che è stata osservata con il telescopio spaziale Hubble. Questo spettro di assorbimento permette agli scienziati di sondare il valore di alpha nell’atmosfera della nana bianca con elevata precisione. Confrontando le posizioni delle linee di assorbimento misurate dal telescopio con le posizioni misurate in laboratorio, è possibile capire se alpha ha un valore diverso vicino alla nana bianca. La risposta è no. In prossimità di una nana bianca, la costante di struttura fine che, come si è detto, rappresenta l’entità dell’interazione delle particelle attraverso la forza elettromagnetica, ha lo stesso valore misurato sulla Terra, nonostante l’enorme differenza nella forza di gravità tra questi due oggetti celesti.

Martin Barstow conclude: “abbiamo scoperto che l’eventuale differenza tra il valore di alpha sulla Terra e quello misurato nel forte campo gravitazionale della nana bianca deve essere inferiore a una parte su diecimila, il che significa che tutti i campi scalari devono solo debolmente influenzare la forza elettromagnetica. Purtroppo, il nostro lavoro è stato limitato dalla necessità di utilizzare misure molto vecchie effettuate in laboratorio dal 1970 in poi. In futuro, con i migliori dati di laboratorio per completare le osservazioni astronomiche ad alta precisione, dovremmo essere in grado di misurare se la variazione di alpha si riduce a una parte per milione. A quel livello saremo in grado di porre restrizioni forti su alpha intesa come vera costante della natura”. (Fonte: phys.org/news/2013-07-white-dwarf-star-variability-constant.html. Pubbicato su cyberscienza.it il 7/07/2013).

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