Satelliti artificiali: misteri e verifiche della relatività generale

Una rappresentazione artistica delle due recenti verifiche della relatività generale mediante il satellite LARES insieme ai due satelliti LAGEOS e LAGEOS 2. Nella figura sono anche mostrati i due satelliti gemelli GRACE utilizzati per determinare il campo gravitazionale della Terra con accuratezza estremamente elevata, un modello delle anomalie del campo gravitazionale della Terra ottenuto con 'GRACE' e una rappresentazione artistica della distorsione dello spaziotempo intorno alla Terra dovuta alla sua rotazione e al fenomeno del frame-dragging previsto dalla relatività generale.

Artistic view of the two recent tests of General Relativity using the LARES satellite with the two LAGEOS and LAGEOS 2 satellites. Also shown in the figure are the two GRACE twin spacecraft used to determine with extremely high accuracy the Earth gravity field, a model of the anomalies of the Earth gravity field obtained with GRACE and an artistic view of the distortion of spacetime around the Earth due to its rotation and to the phenomenon of frame-dragging predicted by General Relativity.

È stato un satellite ad avere un ruolo chiave nella scoperta di uno dei "più profondi problemi della fisica moderna": l’incredibile accelerazione nell’espansione dell'Universo. Il telescopio spaziale Hubble (NASA) ha infatti rivoluzionato la cosmologia e la nostra comprensione dell’Universo. Questa espansione accelerata è spiegata con l’esistenza della cosiddetta "Energia Oscura" che insieme alla "Materia Oscura" nelle galassie e ammassi di galassie è stimata costituire circa il 95% della massa-energia del nostro Universo. L'enigma sulla natura dell'Energia Oscura è profondo! Teorie alternative alla teoria gravitazionale di Einstein, la relatività generale (RG), sono anche state proposte nel tentativo di spiegare l’espansione accelerata dell'Universo e la velocità rotazionale delle galassie (spiegata con la Materia Oscura). È quindi nato un rinnovato interesse per prove sperimentali sempre più accurate della relatività generale su cui è basata la cosmologia odierna.

Se da un lato un satellite ha aperto il profondo mistero dell'Energia Oscura, proprio in questi ultimi anni la relatività generale ha avuto fondamentali conferme grazie ad altri satelliti artificiali e agli interferometri laser. Nel 2012 è stato lanciato con successo il satellite LARES (LAser RElativity Satellite, dell’Agenzia Spaziale Italiana – ASI) che ha fornito più accurate prove sperimentali della RG. Nel 2015 le onde gravitazionali sono state direttamente misurate dall'osservatorio a interferometro laser LIGO e dal 2017 ad oggi da LIGO insieme a VIRGO. Nel 2017 è stato lanciato il satellite MICROSCOPE (CNES) che ha recentemente dato accuratissime misure del principio di equivalenza. Infine nel 2020 sarà lanciato il satellite LARES 2 dell’ASI per verifiche ancora più accurate della RG.

In effetti, il satellite LARES, insieme ai dati dei due satelliti geodetici LAGEOS (NASA) e LAGEOS 2 (ASI e NASA), ci ha recentemente offerto due conferme della teoria gravitazionale di Einstein. La prima, pubblicata a novembre sulla rivista European Physical Journal C è una conferma, con un'accuratezza mai raggiunta prima, vicina all'uno percento, di un affascinante e misterioso fenomeno previsto dalla RG: il "frame-dragging" (trascinamento dei sistemi di riferimento inerziali) o gravitomagnetismo. Nella teoria gravitazionale non relativistica, un giroscopio punta sempre verso la stessa stella lontana e definisce quindi i sistemi inerziali non rotanti dove vale la seconda legge della dinamica. Nella teoria della relatività generale un giroscopio viene invece “trascinato” dalle correnti di massa-energia (correnti che incurvano ulteriormente lo spaziotempo), per esempio dalla rotazione di un corpo come la Terra, e definisce i sistemi inerziali che quindi cambiano orientazione rispetto alle stelle lontane. Questo fenomeno è anche chiamato gravitomagnetismo per l’analogia formale di un giroscopio con un dipolo magnetico "trascinato" dal campo magnetico generato dalle correnti elettriche. Roger Penrose, uno dei padri della teoria dei buchi neri, maestro e collaboratore di Steven Hawking è tra gli autori di questa pubblicazione.

L'idea dell’esperimento LARES per una misura del fenomeno del frame-dragging con accuratezza vicina a due parti per mille. Il satellite LARES 2 avrà un'orbita con inclinazione supplementare rispetto a quella del satellite LAGEOS già in orbita, in modo tale da eliminare il più grande spostamento del piano orbitale dei due satelliti dovuto alla non-sfericità della Terra (indicato qui CL) e misurare il frame-dragging (indicato qui LT, ovvero effetto Lense-Thirring).

The LARES experiment concept for measuring the frame-dragging effect with accuracy close to two parts per thousand. The LARES 2 satellite will orbit with a supplementary inclination with respect to the already orbiting LAGEOS satellite, in order to prevent the two satellites from major orbital plane change, due to the non-sphericity of Earth (denoted here with CL) and to measure the frame dragging (denoted here with LT, i.e. Lense-Thirring effect).

L'altra conferma della RG, pubblicata sempre a novembre sulla rivista Scientific Reports-Nature, è la verifica del principio di equivalenza di Galilei, alla base della teoria gravitazionale di Einstein. Galilei ci ha insegnato che tutti i corpi cadono verso il basso con la stessa accelerazione e lo ha sperimentato sia con dei pendoli che con dei piani inclinati e anche viaggiando col pensiero sulla Torre di Pisa immaginata immersa però nel vuoto. Grazie al LARES e ai satelliti LAGEOS e LAGEOS 2, il principio di equivalenza è stato verificato con un’accuratezza di una parte su un miliardo. Questa accuratezza, anche se inferiore a quella dell’esperimento MICROSCOPE, è stato ottenuta per la prima volta su materiali mai usati prima, quali una lega di tungsteno e ottone-alluminio, e a una distanza mai sperimentata prima dell’ordine di diecimila chilometri dal centro della Terra, in una situazione quindi di campo gravitazionale più debole.

Attendiamo ora, nel prossimo 2020, il lancio del satellite LARES 2 con il lanciatore VEGA C che ci offrirà ulteriori e più accurate verifiche della relatività generale. Una volta in orbita a circa due raggi terrestri dal centro della Terra, la posizione del LARES 2 sarà misurata con una precisione migliore del millimetro, mai raggiunta prima da ogni altro satellite, grazie alla tecnica dell’inseguimento via laser ("laser-ranging"), cioè misurando il tempo di andata e ritorno di un impulso laser sparato dalla Terra, circa 40 ms, con una precisione di circa una parte su dieci miliardi.

In conclusione, nonostante siamo confinati in una microscopica regione del vastissimo cosmo, i satelliti artificiali non solo ci hanno aperto una porta sull’Universo ma anche sulle teorie della fisica che governano il cosmo.

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Artificial satellites: mysteries and tests of general relativity

It was a satellite that played a key role in the discovery of one of the "deepest problems of modern physics": the incredible acceleration in the expansion of the universe. The Hubble Space Telescope (NASA) has indeed revolutionized cosmology and our understanding of the universe. This accelerated expansion is explained by the existence of the so-called "Dark Energy" which together with the "Dark Matter" in galaxies and galaxy clusters is estimated to constitute about 95% of the mass-energy of our universe. The riddle on the nature of Dark Energy is profound! Theories alternative to Einstein's gravitational theory, General Relativity (GR), have also been proposed in an attempt to explain the accelerated expansion of the universe and the rotational speed of galaxies (explained by Dark Matter). A renewed interest has therefore arisen for more and more accurate experimental tests of GR on which today's cosmology is based.

While on one hand a satellite has opened the deep mystery of Dark Energy, in recent years General Relativity is having fundamental confirmations thanks to other artificial satellites and laser interferometers. In 2012 the LARES (LAser RElativity Satellite, of the Italian Space Agency - ASI) satellite was successfully launched and provided more accurate experimental tests of GR. In 2015 gravitational waves were directly measured by the LIGO laser interferometer observatory and from 2017 to date by LIGO together with VIRGO. In 2017 the MICROSCOPE satellite (CNES) was launched and has recently provided very accurate measurements of the equivalence principle. Finally, in 2020 the LARES 2 satellite of ASI will be launched for even more accurate tests of GR.

Indeed, the LARES satellite, together with the data of the two geodetic satellites LAGEOS (NASA) and LAGEOS 2 (ASI and NASA), has recently given two tests of Einstein's gravitational theory. The first, published in November in the European Physical Journal C is a confirmation, with unprecedented accuracy of nearly one percent, of a fascinating and mysterious phenomenon foreseen by GR: "frame-dragging" (dragging of the inertial frames) or gravitomagnetism. In non-relativistic gravitational theory, a gyroscope always points towards the same distant star and therefore defines non-rotating inertial systems where the second law of dynamics holds. In GR a gyroscope is instead "dragged" by the mass-energy currents (currents that further bend spacetime), for example by the rotation of a body like the Earth, and defines the inertial frames which therefore change orientation with respect to the distant stars. This phenomenon is also called gravitomagnetism due to the formal analogy of a gyroscope with a magnetic dipole which is "dragged" by the magnetic field generated by electric currents. Roger Penrose, one of the fathers of the theory of black holes, teacher and collaborator of Steven Hawking, is among the authors of this publication.

The other test of GR, published in November in Scientific Reports-Nature, is a confirmation of the Galilei equivalence principle, at the foundations of Einstein's gravitational theory. Galilei taught us that all bodies fall down with the same acceleration and he tested it both with pendula and inclined planes and also with the Gedanken-experiment by throwing objects from the Tower of Pisa, imagined to be in a vacuum. Thanks to LARES and to the LAGEOS and LAGEOS 2 satellites, the principle of equivalence has been tested with an accuracy of one part in a billion. This accuracy, although lower than that of the MICROSCOPE experiment, was obtained for the first time on materials never used before, a tungsten alloy and brass-aluminum, and at a distance never tested before of the order of ten thousand kilometers from the center of the Earth, thus in a situation of a weaker gravitational field.

We are now waiting for the launch with VEGA C in 2020 of the LARES 2 satellite. LARES 2 will provide other more accurate tests of GR. Once in orbit at about two Earth radii from the center of the Earth, the position of LARES 2 will be measured with a precision better than a millimeter, never reached before by any other satellite, thanks to the technique of laser-ranging, that is, measuring the round-trip time of a laser pulse emitted from the Earth, about 40 ms, with an accuracy of about one part in ten billion.

In conclusion, although we are confined to a microscopic region of the vast cosmos, artificial satellites have not only opened a door to the universe but also to the theories of physics that govern the universe.

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