L'uguaglianza di massa inerziale e gravitazionale centrale nella teoria della relatività generale di Einstein è stata confermata a sensibilità senza precedenti dal satellite MICROSCOPE. Avendo raccolto diverse migliaia di orbite di dati accelerometrici da due masse in caduta libera attorno alla Terra, la missione francese non ha riscontrato alcuna violazione del principio di equivalenza a livello di poche parti su mille trilioni. Gli scienziati della missione affermano che un migliore controllo del rumore termico e di altro tipo potrebbe aumentare la precisione di un ulteriore fattore 100, consentendo così i test delle teorie della gravità quantistica.
Da quando è stata pubblicata da Albert Einstein nel 1915, la teoria della relatività generale ha superato a pieni voti una serie di test sperimentali, dalla deflessione solare della luce stellare allo spostamento verso il rosso gravitazionale degli orologi atomici. Ma i fisici considerano la teoria incompleta perché è in contrasto con la meccanica quantistica, mentre i fenomeni della materia oscura e dell'energia oscura rimangono inspiegabili. I ricercatori vorrebbero anche unificare la gravità con le altre tre interazioni fondamentali della natura: l'elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli.
Un modo per cercare nuovi portatori di forza previsti da teorie alternative della gravità è sottoporre il principio di equivalenza debole a test sempre più severi. Questo principio afferma che la massa inerziale e gravitazionale sono equivalenti. Pertanto tutti gli oggetti, indipendentemente dalla loro massa e composizione, dovrebbero cadere alla stessa velocità in un campo gravitazionale se non soggetti ad altre forze, come le variazioni della pressione dell'aria. (La versione forte del principio è più robusta perché considera anche gli effetti dell'auto-gravitazione, che diventa importante per oggetti di grandi dimensioni.)
Rapporto di Eötvös
Fin dai tempi di Galileo Galilei, gli sperimentatori hanno sondato il principio di equivalenza con crescente sensibilità. La metrica utilizzata nei test moderni è il rapporto di Eötvös, che confronta le accelerazioni di due masse di prova in caduta libera ed è zero se tali accelerazioni sono uguali. Nel 2008, Eric Adelberger e colleghi dell'Università di Washington a Seattle, negli Stati Uniti, hanno utilizzato una bilancia di torsione rotante per ottenere un rapporto di Eötvös pari a zero a livello di circa 2 parti su 1013. Mentre dieci anni dopo i ricercatori dell'Osservatorio di Parigi in Francia hanno attinto a quasi 50 anni di dati sulla portata del laser – alla ricerca di minuscole variazioni nell'orbita terrestre della Luna – e hanno confermato il principio di equivalenza con una precisione di circa 7×10 all'14 ottobre.
L'idea alla base di MICROSCOPE era di migliorare ulteriormente la precisione sfruttando le virtù dell'essere in orbita terrestre: il fatto che le misurazioni possono essere eseguite per lunghi periodi di tempo e senza interferenze terrestri come il rumore sismico. La missione prevedeva il monitoraggio dell'accelerazione relativa di due cilindri cavi concentrici realizzati con leghe diverse - uno costituito da titanio e alluminio e l'altro platino e rodio - mentre viaggiavano in caduta libera continua. Lo ha fatto utilizzando elettrodi per monitorare eventuali deviazioni nel movimento dei cilindri e quindi applicando una minuscola tensione per allineare i cilindri, con variazioni di questa tensione applicata che forniscono il segnale di eventuali violazioni del principio di equivalenza.
La missione MICROSCOPE da 140 milioni di euro è stata lanciata nel 2016 dall'agenzia spaziale francese CNES in collaborazione con ricercatori in Germania, Paesi Bassi e Regno Unito. Collocato in un'orbita quasi polare con un periodo di circa 1.5 ore, il satellite ha prodotto un set di dati iniziale – pubblicato nel 2017 – da sole 120 orbite. Ciò ha comportato un miglioramento all'incirca dell'ordine di grandezza rispetto alla sensibilità del record di allora, spingendo l'incertezza nel valore zero del rapporto di Eötvös a circa 2 parti su 1014.
Molti più dati
La collaborazione MICROSCOPE ha ora pubblicato il set di dati completo della missione, acquisito nell'equivalente di cinque mesi durante i suoi 2.5 anni di vita della missione (il satellite, ancora in orbita, finirà per bruciare nell'atmosfera terrestre). Avendo almeno un ordine di grandezza in più di dati rispetto a cinque anni fa, alcuni dei quali provenivano da un confronto di riferimento tra due cilindri realizzati con lo stesso materiale (platino), i ricercatori sono stati in grado di ridurre l'incertezza sul rapporto di Eötvös a circa quattro parti in 1015 – e trovarlo ancora zero. Non è così preciso come speravano: volevano raggiungere una parte su 1015 – ma rappresenta comunque un ulteriore miglioramento della precisione di circa un fattore cinque.
Tuttavia, gli scienziati non coinvolti nella missione accolgono con favore i nuovi risultati Anna Nobili dell'Università di Pisa in Italia è scettico sul fatto che la precisione sia così alta come dichiarato. Sottolinea che la più grande fonte di errore sistematico è il rumore termico, risultante dai gradienti di temperatura creati dalle variazioni della luce solare diretta e riflessa che raggiungono il veicolo spaziale. Nota che con il satellite già in orbita, l'unico modo per ridurre gli effetti di questo rumore tra i due rilasci di dati era migliorarne la modellazione. Ma trova "non del tutto convincente" che la modellazione avrebbe potuto ottenere la riduzione necessaria: un fattore sei.
Tuttavia, Nobili ritiene che MICROSCOPE mostri "l'enorme potenziale dello spazio" per test di altissima precisione del principio di equivalenza. In particolare, sostiene che la missione dimostra l'importanza di far girare un veicolo spaziale a velocità elevate per aumentare la frequenza di qualsiasi segnale di violazione a livelli in cui è noto che il rumore termico è inferiore. (Nota che il satellite doveva ruotare fino a cinque volte la sua frequenza orbitale, ma ha finito per girare 17.5 volte più velocemente.)
Ulteriore riduzione del rumore
Joel Bergé dell'Université Paris Saclay, membro della collaborazione MICROSCOPE, afferma che lui e i suoi colleghi stanno ora lavorando a una missione di follow-up più ampia chiamata MICROSCOPE 2, che devono ancora proporre a qualsiasi agenzia spaziale, ma che potrebbe essere lanciata "nella seconda metà del gli anni 2030”. Dice che il nuovo satellite incorporerebbe diverse modifiche per ridurre il rumore, inclusa la sostituzione di un filo d'oro utilizzato per rimuovere la carica indesiderata dalla massa di prova con un sistema wireless che coinvolge diodi emettitori di luce ultravioletta. Tali modifiche, sostiene, potrebbero ridurre l'incertezza di misura a circa una parte su 1017.
La discesa di massa
Clifford Will, un teorico dell'Università della Florida negli Stati Uniti, ritiene che l'esperienza acquisita con la missione iniziale darà ai ricercatori MICROSCOPE "una buona base per passare alla versione 2.0". Dice di non essere in grado di giudicare la credibilità del loro progetto 10 all'17 ottobre incertezza, ma sottolinea che gli scienziati della Stanford University che lavorano su una proposta missione nota come STEP hanno affermato che il raggiungimento di quel livello di precisione richiederebbe il raffreddamento del satellite a temperature criogeniche, cosa non prevista per MICROSCOPE 2.
La ricerca è descritta in articoli pubblicati in Physical Review Letters e problema speciale of Gravità classica e quantistica.
