Gravitazione Sperimentale

La linea di ricerca denominata “Gravitazione Sperimentale” è dedicata allo studio dell’interazione gravitazionale e delle sue diverse manifestazioni in ambito planetario e astrofisico. La gravità, pur essendo la più debole tra le quattro interazioni fondamentali oggi conosciute nell’Universo, produce una forza solo attrattiva (non esistono masse negative), non schermabile e a lungo raggio, è fondamentale nel plasmare l’Universo e la sua evoluzione, dalla scala terrestre a quella del Sistema Solare fino a distanze cosmologiche.

La prima  legge di gravitazione universale è quella di Newton. Quando fu formulata, intorno al 1686, fu la prima teoria di unificazione fra la fisica terrestre e quella celeste e la prima ad introdurre una costante universale della natura: la costante della gravitazione universale G. Seppur essa rappresenti ancora un ottimo strumento per descrivere ad esempio e la dinamica delle orbite dei pianeti del sistema solare, quando sono coinvolte misure estremamente accurate e campi gravitazionali particolarmente intensi, la legge di Newton è violata e si ha bisogno di introdurre una nuova e più generale teoria. 

Allo stato attuale delle conoscenze, la Teoria della Relatività Generale di Einstein (1916) è la migliore descrizione della gravitazione che possediamo e ne rappresenta il modello standard. 

Uno dei pilastri della Relatività Generale è il Principio di Equivalenza. Ovvero il principio per cui la massa gravitazionale, che ci dice come un corpo reagisce alla forza gravitazionale, e la massa inerziale, che indica quanta forza serve per muovere un corpo, si equivalgono. Questa “coincidenza”, finora confermata da molti e precisissimi esperimenti, fa sì che tutti i corpi cadano allo stesso modo nei pressi della Terra o di qualsiasi altra massa macroscopica, portando la Relatività Generale a rappresentare l’interazione gravitazionale come deformazione dello spaziotempo in cui si muovono i corpi. Altro effetto del principio di equivalenza è anche quello che corpi diversi cadano nel vuoto nel medesimo modo (ref video NASA). 

Una caratteristica studiata da questa area di ricerca è la capacità delle masse rotanti di produrre delle forze aggiuntive o curvare ulteriormente lo spazio, proprio grazie alla loro rotazione. Il nostro gruppo studia proprio questo effetto di trascinamento della rotazione della Terra su satelliti artificiali. Una diretta conseguenza di questa tipologia di studi è quella di confrontare le predizioni della RG sulle orbite dei satelliti con quelle di altre teorie Alternative della Gravitazione. Gli effetti che si misurano sulle orbite sono molto piccoli, ad esempio variazioni di centimetri sulle orbite di satelliti ad alcune migliaia di chilometri di altezza su tempi scala tipici di 15 giorni.

Proprio per il legame strettissimo che la Relatività Generale predice tra lo spazio e il tempo, questa area di ricerca è interessata a studiare gli orologi atomici a bordo ad alcuni satelliti per la navigazione, misurando ad esempio variazioni di un milionesimo di milionesimo di secondo su tempi scala di un giorno.

La tecnica per misurare con grande precisione la posizione dei satelliti di cui ci avvaliamo si basa sulla misura del tempo che un segnale elettromagnetico impiega per raggiungere il satellite e tornare indietro. Il segnale può essere quello di un Laser che emesso da una stazione si riflette su di uno specchio a bordo (Laser Ranging), oppure un segnale radio, ricevuto e ritrasmesso a Terra dal satellite (Radio Science). 

Per ricostruire con precisione le orbite dei satelliti dobbiamo, oltre alla gravità, essere anche capaci di calcolare tutte le forze che agiscono su di essi e sono in grado di modificarne l’orbita. Ad esempio, la pressione della luce solare perturba la traiettoria dei satelliti producendo effetti che si sommano, mascherandoli, a quelli gravitazionali che vogliamo misurare. Un’importante attività svolta della nostra area di ricerca è perciò anche quella della progettazione e costruzione di sensori atti alla misura di piccolissimi spostamenti, dell’ordine del centesimo di miliardesimo di metro. Questi strumenti sono detti accelerometri, poiché agli spostamenti misurati possono essere associate delle accelerazioni.

Gli accelerometri costruiti allo IAPS sono impegnati in misure di laboratorio e a bordo di sonde interplanetarie. Sfruttando la loro sensibilità si riesce infatti a misurare la costante di gravitazione universale, verificare la validità locale del Principio di Equivalenza e ricostruire l’orbita puramente gravitazionale di una sonda interplanetaria.