La forza più debole della natura
La gravità mantiene la Terra nella sua orbita e noi a terra. Dallo spazio, i satelliti determinano l'accelerazione dovuta alla forza gravitazionale della Terra.
Quando un razzo Falcon 9 si è alzato dalla rampa di lancio di Vandenberg, in California, nel maggio 2018, Benedikt Soja era lì a guardare stupito. All'epoca, il ricercatore lavorava per la NASA, che stava inviando due satelliti nello spazio insieme al Centro di ricerca tedesco per le geoscienze di Potsdam (GFZ). Oggi Soja è professore di geodesia spaziale presso il Dipartimento di ingegneria civile, ambientale e geomatica dell'ETH di Zurigo e analizza i dati di questa coppia di satelliti insieme al suo team. "Con la missione denominata GRACE Follow-On, possiamo misurare il campo gravitazionale della Terra con particolare precisione", spiega il ricercatore. "Questo riflette l'accelerazione gravitazionale in ogni punto della Terra".
La gravità fa sì che gli oggetti cadano sempre verso il basso e che la Terra rimanga a una distanza appropriata dal sole, in modo che la vita possa prosperare. Tuttavia, la forza di gravità non ha lo stesso effetto ovunque sul nostro pianeta, poiché la Terra non è una sfera perfetta. Il campo gravitazionale della Terra varia a seconda della quantità di massa presente in un determinato luogo. Al contrario, misurando la forza di gravità si possono trarre conclusioni sulla distribuzione della massa.
Tracciare il cambiamento climatico
"? particolarmente interessante vedere come si spostano le masse", afferma Soja: "In termini di cambiamento climatico, questo è particolarmente importante per l'acqua". Con l'aiuto delle misurazioni satellitari, i ricercatori possono determinare come si stanno sciogliendo le calotte glaciali in Groenlandia o in Antartide o come alcune riserve di acqua sotterranea in California o in India stanno diventando sempre più piccole a causa della siccità. "? anche possibile vedere un chiaro cambiamento nel campo gravitazionale durante le forti piogge, perché molta acqua si è accumulata dove normalmente ce n'è meno", spiega Soja: "Con il cambiamento climatico, queste distribuzioni di massa sono cambiate in modo significativo negli ultimi anni".
Il campo gravitazionale della Terra può essere misurato anche da terra, ma solo in punti specifici. "Non sarà mai possibile coprire l'intera Terra con i suoi oceani", spiega Soja. Da qui le misurazioni dallo spazio. Poiché l'orbita di ogni satellite è influenzata dal campo gravitazionale, l'accelerazione dovuta alla gravità può essere calcolata semplicemente determinando la posizione esatta lungo l'orbita. "Tuttavia, questo metodo non è abbastanza preciso da fornire dettagli scientificamente interessanti", afferma il ricercatore. Questo non è il caso della coppia di satelliti GRACE Follow-On, una missione successiva ai due satelliti GRACE lanciati nel 2002, che nel frattempo si sono bruciati nell'atmosfera terrestre.
Un satellite vola in avanti, l'altro lo segue a una distanza di circa 220 chilometri. Un sistema di misurazione a bordo determina continuamente la distanza tra i due satelliti. Questa cambia nel tempo a causa dello spostamento della massa sulla terra. Utilizzando un interferometro laser per misurare la distanza, è possibile determinare la variazione della distanza con una precisione di nanometri al secondo.
Eliminare i disturbi
Tuttavia, non tutti i cambiamenti nell'orbita del satellite sono causati dal campo gravitazionale della Terra. Non c'è il vuoto assoluto in orbita a un'altitudine di circa 500 chilometri; i satelliti sono costantemente rallentati dalle particelle atmosferiche. Anche il vento solare può provocare piccoli cambiamenti nell'orbita. Per questo motivo i satelliti sono stati dotati di sensori di accelerazione. "Con questi sensori ad alta precisione, possiamo determinare tutti gli effetti che non hanno a che fare con la gravità", spiega Soja. "Questo permette di misurare davvero solo il campo gravitazionale".
Scientifica 2023
- Esplorare la forza di gravità.pagina esternaStand espositivo. Istituto di geodesia e fotogrammetria, l'ETH.
Insieme al suo gruppo, sta studiando come elaborare al meglio i dati dei sensori di accelerazione per eliminare tutti i segnali indesiderati. Per farlo, il team sta utilizzando l'intelligenza artificiale. "Utilizzando metodi convenzionali, è spesso difficile trovare correlazioni nelle enormi quantità di dati", spiega Soja. "Con approcci come l'apprendimento automatico, invece, è possibile riconoscere i modelli nei dati ed estrarre in modo efficiente le correlazioni più importanti". Con i loro algoritmi, i ricercatori dell'ETH ottengono risultati fino al 20% più precisi rispetto alla NASA con i metodi convenzionali.
L'accelerazione gravitazionale g indica la forza del campo gravitazionale della Terra. La costante gravitazionale universale G, invece, compare nella legge di gravità di Newton. "? la costante naturale meno conosciuta", afferma Jürg Dual, professore emerito di meccanica dell'ETH. I valori di tutte le altre costanti naturali, come la velocità della luce, possono essere misurati con molta più precisione. "La gravità è molto debole rispetto alle altre forze fondamentali della natura", spiega Dual. "Ecco perché gli esperimenti per determinare la costante gravitazionale sono così difficili".
Il trucco della risonanza
Nell'ex fortezza militare di Furggels, vicino a Bad Ragaz, al riparo da rumori e fluttuazioni di temperatura, Dual e il suo gruppo di ricerca stanno utilizzando un nuovo metodo per determinare la costante gravitazionale. "Il nostro esperimento è dinamico anziché statico come quelli precedenti", spiega il ricercatore. Il set-up sperimentale consiste in due camere a vuoto isolate meccanicamente l'una dall'altra. In una camera, due aste ruotano a una frequenza predeterminata e fanno vibrare un'asta nella seconda camera a causa della forza di gravità. I ricercatori sfruttano il fenomeno della risonanza, che consente di amplificare le vibrazioni a tal punto da poterle misurare con interferometri laser. La costante gravitazionale può essere calcolata in base alle minuscole deflessioni, utilizzando una grande quantità di conoscenze teoriche.
Il metodo è ancora meno preciso degli esperimenti convenzionali, ma dopo le prime prove i ricercatori sono già riusciti ad aumentare significativamente l'accuratezza delle loro misurazioni. "Ora le cose cominciano a farsi interessanti", afferma Dual. "Perché con l'approccio dinamico possiamo affrontare nuove domande": forse, contrariamente alle aspettative, esiste un'interazione tra la gravità e le altre forze della natura? Ed è vero, come generalmente si presume, che la gravità non può essere schermata? I ricercatori dell'ETH lo stanno verificando appendendo grandi lastre di metallo tra le due camere a vuoto, ma lasciando tutto il resto invariato. "Se dovessimo vedere un effetto, sarebbe piuttosto rivoluzionario", afferma Dual. Perché allora alcuni modelli che descrivono l'universo e il suo sviluppo potrebbero dover essere rivisti".
Le persone
Benedikt Soja è professore di geodesia spaziale presso il Dipartimento di ingegneria civile, ambientale e geomatica dell'ETH di Zurigo.
Jürg Dual è professore emerito di meccanica e dinamica sperimentale all'ETH di Zurigo.
"Globo" Ciò che tiene insieme il mondo
Questo testo è stato pubblicato nel numero 23/03 della rivista l'ETH Il globo è stato pubblicato.