Introduzione

Le osservazioni fatte con Very Large Telescope (VLT) dell’ESO hanno rivelato per la prima volta che una stella in orbita attorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea si muove proprio come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein

La ricerca è stata pubblicata oggi 16 aprile 2020 su Astronomy & Astrophysics.

Tutto come previsto

La sua orbita ha la forma di una rosetta e non di un’ellisse, come previsto dalla teoria della gravità di Newton. Questo risultato tanto ricercato è stato reso possibile da misurazioni sempre più precise realizzate in quasi 30 anni, che hanno permesso agli scienziati di svelare i misteri del colosso in agguato nel cuore della nostra galassia.

La relatività generale di Einstein prevede che le orbite legate di un oggetto attorno a un altro non siano chiuse, come nella gravità newtoniana, ma in avanti sul piano del moto. Questo famoso effetto – visto per la prima volta nell’orbita del pianeta Mercurio attorno al Sole – fu la prima prova a favore della Relatività Generale. Cento anni dopo abbiamo rilevato lo stesso effetto nel movimento di una stella in orbita attorno alla sorgente radio compatta di Sagittario A* al centro della Via Lattea. Questa svolta osservativa rafforza l’evidenza che Sagittario A* deve essere un buco nero supermassiccio 4 milioni di volte la massa del Sole“, afferma Reinhard Genzel, direttore del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) di Garching, Germania e architetto del programma trentennale che ha portato a questo risultato.

La precessione di Schwarzschild

Situato a 26000 anni luce dal Sole, Sagittario A* e il denso ammasso di stelle attorno ad esso forniscono un laboratorio unico per testare la fisica in un regime di gravità altrimenti esterno ed inesplorato. Una di queste stelle, S2, si trascina verso il buco nero supermassiccio a una distanza più vicina a meno di 20 miliardi di chilometri (centoventi volte la distanza tra il Sole e la Terra), rendendola una delle stelle più vicine mai trovate in orbita intorno al gigantesco gigante. 

Al suo approccio più vicino al buco nero, S2 sfreccia nello spazio a quasi il tre percento della velocità della luce, completando un’orbita una volta ogni 16 anni. “Dopo aver seguito la stella nella sua orbita per oltre due decenni e mezzo, le nostre squisite misurazioni rilevano in modo efficace la precessione Schwarzschild di S2 nel suo percorso attorno al Sagittario A*“, afferma Stefan Gillessen dell’MPE, che ha guidato l’analisi delle misurazioni pubblicate oggi nella rivista Astronomy & Astrophysics.

La maggior parte delle stelle e dei pianeti hanno un’orbita non circolare e quindi si avvicinano e allontanano dall’oggetto attorno al quale ruotano. L’orbita di S2 è tale che la posizione del punto più vicino al buco nero supermassiccio cambia ad ogni giro, il che comporta che l’orbita successiva ruota rispetto a quella precedente, creando una forma a rosetta. 

La relatività generale fornisce una previsione precisa di quanto cambia la sua orbita e le ultime misurazioni di questa ricerca corrispondono esattamente alla teoria. Questo effetto, noto come precessione di Schwarzschild, non era mai stato misurato prima per una stella attorno a un buco nero supermassiccio.

Lo studio con il VLT dell’ESO aiuta anche gli scienziati a conoscere meglio la vicinanza del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. “Poiché le misurazioni di S2 seguono così bene la relatività generale, possiamo fissare limiti rigorosi su quanto materiale invisibile (come la materia oscura distribuita o possibili buchi neri più piccoli) sia presente attorno a Sagittarius A*. Questo è di grande interesse per comprendere la formazione e l’evoluzione dei buchi neri supermassicci”, affermano Guy Perrin e Karine Perraut, i principali scienziati francesi del progetto.

Questo risultato è il culmine di 27 anni di osservazioni della stella S2 utilizzando, per la maggior parte di questo tempo, una flotta di strumenti presso il VLT dell’ESO, situato nel deserto di Atacama in Cile. Il numero di punti dati che segnano la posizione e la velocità della stella attesta l’accuratezza della nuova ricerca: il team ha effettuato oltre 330 misurazioni in totale, utilizzando gli strumenti GRAVITYSINFONI e NACO. Poiché S2 impiega anni per orbitare attorno al buco nero supermassiccio, è stato fondamentale seguire la stella per quasi tre decenni, per svelare le complessità del suo movimento orbitale.

Collaborazione GRAVITY

La ricerca è stata condotta da un team internazionale guidato da Frank Eisenhauer della MPE con collaboratori provenienti da Francia, Portogallo, Germania ed ESO. Il team ha creato la collaborazione GRAVITY, dal nome dello strumento sviluppato per l’interferometro VLT, che combina la luce di tutti e quattro i telescopi VLT da 8 metri in un super-telescopio (con una risoluzione equivalente a quella di un telescopio di 130 metri di diametro ). 

La stessa squadra ha riferito nel 2018 un altro effetto previsto dalla relatività generale: hanno visto la luce ricevuta da S2 essere allungata a lunghezze d’onda maggiori mentre la stella passava vicino al Sagittario A*. “Il nostro risultato precedente ha dimostrato che la luce emessa dalla stella sperimenta la relatività generale. Ora abbiamo dimostrato che la stella stessa rileva gli effetti della relatività generale“, Afferma Paulo Garcia, ricercatore presso il Centro portoghese di astrofisica e gravitazione e uno dei principali scienziati del progetto GRAVITY.

In attesa dell’ELT

Con l’imminente Extremely Large Telescope dell’ESO, il team ritiene che sarebbero in grado di vedere stelle molto più deboli in orbita ancora più vicine al buco nero supermassiccio. “Se siamo fortunati, potremmo catturare stelle abbastanza vicine da sentire effettivamente la rotazione del buco nero”, afferma Andreas Eckart dell’Università di Colonia, un altro dei principali scienziati del progetto. 

Ciò significherebbe che gli astronomi sarebbero in grado di misurare le due quantità, rotazione e massa, che caratterizzano Sagittarius A* e definire lo spazio e il tempo attorno ad esso “Sarebbe di nuovo un livello completamente diverso di testare la relatività” , afferma Eckart.

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