Oscurato da spesse nubi di polvere opaca, il buco nero supermassiccio più vicino alla Terra si trova a circa 26 000 anni luce da noi, nel cuore della Via Lattea. Questo mostro gravitazionale, con una massa di quattro milioni di volte quella del Sole, è circondato da un piccolo gruppo di stelle che gli orbitano intorno ad alta velocità. Questo ambiente estremo – il campo gravitazionale più forte nella nostra Galassia – è il luogo ideale per esplorare la fisica gravitazionale e in particolare per verificare la teoria della relatività generale di Einstein.
Nuove osservazioni nella banda dell’infrarosso, ottenute con gli strumenti di squisita sensibilità GRAVITY, SINFONI e NACO installati sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO hanno consentito finalmente di seguire una di queste stelle, nota come S2, mentre passava molto vicino al buco nero, nel maggio 2018. Nel punto piu vicino questa stella si trovava a una distanza di meno di 20 miliardi di chilometri dal buco nero e si muoveva a una velocità superiore ai 25 milioni di chilometri all’ora – quasi il tre percento della velocità della luce.
S2 infatti orbita attorno al buco nero ogni 16 anni, in un’orbita molto eccentrica che la porta entro venti miliardi di chilometri – 120 volte la distanza tra la Terra e il Sole, o circa quattro volte la distanza dal Sole a Nettuno – nel suo approccio più vicino al buco nero (questa distanza corrisponde a circa 1500 volte il raggio di Schwarzschild del buco nero stesso).
L’equipe ha confrontato le misure di posizione e velocità ottenute rispettivamente da GRAVITY e da SINIFONI, insieme alla precedenti osservazioni di S2 ottenute da altri strumenti, con le previsioni della gravità newtoniana, della relatività generale e di altre teorie della gravità. I nuovi risultati sono inconsistenti con le previsioni della meccanica newtoniana, mentre sono in eccellente accordo con le previsioni della relatività generale.
Queste misure molto precise sono state realizzate da un’equipe internazionale con a capo Reinhard Genzel dell’MPE (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) di Garching (Germania) insieme a collaboratori sparsi nel mondo: dall’Osservatorio di Parigi – PSL, all’Università di Grenoble Alpes, al CNRS, al Max Planck Institute for Astronomy, all’Università di Colonia, all’istituto portoghese CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação e infine all’ESO. Queste osservazioni sono il culmine di una serie di misure sempre più precise del centro della Via Lattea ottenute con gli strumenti dell’ESO. Le osservazioni del centro della Via Lattea, infatti, devono essere effettuate a lunghezze d’onda più lunghe (in questo caso in luce infrarossa) poiché le nubi di polvere tra la Terra e la regione centrale assorbono fortemente la luce visibile.
«È la seconda volta che osserviamo il passaggio ravvicinato di S2 intorno al buco nero al centro della nostra Galassia. Ma questa volta, grazie all’avanzamento tecnologico degli strumenti disponibili, siamo stati in grado di osservare la stella con una risoluzione senza precedenti,» spiega Genzel. «Ci siamo preparati intensamente a questo evento, per molti anni, poichè volevamo sfruttare al massimo questa opportunità unica di osservare gli effetti della relatività generale».
Le nuove misure rivelano chiaramente un effetto noto come redshift gravitazionale. La luce della stella viene allungata a lunghezze d’onda maggiori dal campo gravitazionale intensissimo del buco nero. E i cambiamenti osservati nella lunghezza d’onda della luce di S2 sono in perfetto accordo con quanto previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. È la prima volta che questa deviazione dalle previsioni della teoria di gravità newtoniama, più semplice, è stata osservata nel moto di una stella intorno a un buco nero supermassiccio.
L’equipe ha usato SINFONI per misurare la velocità di S2 in avvicinamento e in allontanamento dalla Terra, lo strumento GRAVITY sull’interferometro del VLT (VLTI) per misure estremamente precise della posizione continuamente mutevole di S2 per definire la forma esatta dell’orbita. GRAVITY crea immagini così nitide che si può evidenziare lo spostamento della stella da una notte all’altra, mentre passa vicino al buco nero – a 26 000 anni luce da Terra.
«La nostra prima osservazione di S2 con GRAVITY, circa due anni fa, ha mostrato subito che questo sarebbe stato un laboratorio ideale per i buchi neri,» aggiunge Frank Eisenhauer (MPE), Ricercatore Responsabile di GRAVITY e dello spettrografo SINFONI. «Durante il passaggio ravvicinato avremmo persino potuto rivelare il debole bagliore intorno al buco nero nella maggior parte delle immagini, il che ci avrebbe permesso di seguire con precisione il cammino della stella nella sua orbita, per giungere alla fine alla detezione del redshfit gravitazionale nello spettro di S2».
Più di un centinaio di anni dopo la pubblicazione dell’articolo che descrive le equazioni della relatività generale, Einstein ha di nuovo ragione – in un laboratorio estremo come mai avrebbe potuto immaginare!
Françoise Delplancke, a capo del Dipartimento di Ingegneria dei Sistemi dell’ESO, spiega l’importanza delle osservazioni: «Nel Sistema Solare possiamo mettere alla prova le leggi fisiche in questo momento e sotto particolari circostanze. È perciò fondamentale in astronomia verificare che queste leggi siano sempre valide laddove i campi gravitazionali sono molto più intensi».
Le osservazioni continuano e si prevede di rivelare presto un altro effetto relativistico – una piccola rotazione dell’orbita della stella, nota come precessione di Schwarzschild – a mano a mano che S2 si allontana dal buco nero.
Xavier Barcons, Direttore Generale dell’ESO, conclude: «L‘ESO ha lavorato in collaborazione con Reinhard Genzel e il suo gruppo e altri colleghi negli Stati Membri dell’ESO per più di un quarto di secolo. È stato un compito arduo sviluppare gli strumenti unici e potenti necessari per effettuare queste misure delicatissime e per installarli al VLT in Paranal. La scoperta annunciata oggi è il risultato entusiasmante di uno straordinario sodalizio».
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