Spazio e Scienze

Benvenuti nel campo gravitazionale di un buco nero!

Fino a pochi anni fa i nuclei delle galassie costituivano uno degli insondabili misteri dell'astrofisica. Comprendere cosa si celasse dietro a quei luminosissimi ammassi di stelle e gas sembrava al di là di ogni ragionevole possibilità, a causa dell'enorme quantità di luce emessa che rende praticamente indistinguibile, almeno nella banda ottica, ogni dettaglio di quella che è la zona con la più alta densità di una galassia.

L'avanzamento tecnologico e gli strumenti più recenti hanno tuttavia permesso di rivelare – almeno in parte – questo mistero. Oggi sappiamo che al centro di tutte, o quasi, le galassie vi è un buco nero supermassiccio, intorno al quale orbitano gas e una quantità di stelle con una densità spaventosa. Stelle che possono anche essere inghiottite e fatte a pezzi dal buco nero. La Via Lattea non fa differenza da questo punto di vista. Il centro della nostra galassia infatti ospita un mostro, Sagittarius A*, dalla massa pari a circa 4 milioni di volte quella del Sole stipata in un diametro ben più piccolo dell'orbita di Mercurio.

Buco nero
Variazione di colore: questa illustrazione mostra la stella S2 che supera il buco nero. Il redshift gravitazionale, causato dal campo gravitazionale estremamente forte, è chiaramente visibile. Crediti: ESO / M. Kornmesser

Attorno ad esso sappiamo che vi è un vorticare furioso di stelle, e proprio una di esse, la stella dall'affascinante ed evocativo nome di S2, è la protagonista di un recente articolo pubblicato da un gruppo di astronomi del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics sulla rivista Astronomy&Astrophysics. In questo lavoro gli autori hanno studiato il moto di S2 nella sua orbita attorno a Sagittarius A*, sfruttando in particolare il passaggio della stella nel punto più vicino al buco nero della sua orbita, avvenuto a maggio 2018.

In realtà l'osservazione di S2 era cominciata già nel 1992, e fu proprio questo studio che portò, nel 2002, alla scoperta di Sagittarius A*. Tuttavia, con gli strumenti disponibili all'epoca era molto difficile caratterizzare il moto della stella con precisione. Il nuovo studio invece ha potuto sfruttare gli strumenti SINFONI e GRAVITY, rispettivamente uno spettrometro e un interferometro montati sul Very Large Telescope dell'ESO e basati su sistemi di ottiche adattive per combattere il fenomeno della distorsione atmosferica, detto seeing.

Grazie alla loro precisione estrema, di GRAVITY in particolare, gli astronomi hanno potuto studiare con grande precisione l'orbita della stella, sfruttando il fatto che questa impiega circa 15 anni per fare un giro completo. S2 infatti si trova a sole 134 UA (1 Unità Astronomica equivale alla distanza media della Terra dal Sole, ovvero circa 150 milioni di km) e si sposta a qualcosa come 25 milioni di km/h, circa il 3% della velocità della luce. Pensate che la velocità di spostamento del Sole, nel suo moto di rivoluzione attorno al centro della Via Lattea, non arriva al milione di km/h. Questo può dare un'idea delle condizioni estreme che si possono trovare in prossimità di un buco nero del genere, che con la sua immensa attrazione gravitazionale fa da vero e proprio motore della galassia.

Buco nero 2
La simulazione mostra le orbite delle stelle vicino al buco nero supermassiccio nel cuore della Via Lattea. Crediti: ESO / L. Calçada / spaceengine.org

Va detto tra l'altro che Sagittarius A* è un gigante dormiente, nemmeno tra i più grandi e relativamente tranquillo. Nulla a che vedere insomma con i cataclismici buchi neri presenti nelle galassie AGN (Nuclei Galattici Attivi) o nelle Starburst, caratterizzati rispettivamente da un'attività eccezionale del nucleo e da un ritmo furioso di produzione stellare.

Ad ogni modo, l'osservazione dettagliata dell'orbita di S2 ha consentito di verificare ulteriormente le previsioni della Teoria della Relatività di Einstein. In particolare, gli astronomi hanno potuto verificare la presenza di un forte effetto di redshift gravitazionale, ovvero lo spostamento verso lunghezze d'onda maggiori della luce proveniente dalla stella a causa degli effetti gravitazionali del buco nero. Ciò fa sì che S2 ci appaia più rossa di quanto non lo sia in realtà.

Buco nero 4 JPG
I risultati delle osservazionali dell'orbita di S2 dal 1992 al 2018

Inoltre si è potuto verificare per la prima volta nel moto di una stella attorno a un buco nero, che le previsioni basate sulla meccanica classica di Newton non funzionavano. Per ottenere risultati corretti occorreva necessariamente ricorrere a una teoria basata sulla Relatività. Ciò costituisce una ulteriore, grandiosa prova della veridicità della teoria di Einstein, che in ambienti estremi, come quelli che si hanno in prossimità di un buco nero, diviene l'unica effettivamente valida.

Al momento gli astronomi sono ancora al lavoro per verificare se, nel prosieguo della sua orbita, S2 dovesse verificare un ulteriore effetto tipicamente relativistico, ovvero una lieve rotazione dell'orbita nota come precessione di Schwarzschild.

La speranza, in ogni caso, è di riuscire a caratterizzare il più possibile questi ambienti e con un dettaglio sempre maggiore, in quanto si pensa che siano i luoghi più adatti per tentare di giungere alla vera e propria chimera della fisica moderna: l'unificazione delle due grandi teorie sull'infinitamente grande e infinitamente piccolo, ovvero Relatività e Meccanica Quantistica.

Esse infatti, pur funzionando benissimo nei rispettivi ambiti, non sono in accordo tra loro né esiste una qualche teoria che riesca a unificarle. Come però suggerito da alcuni scienziati, tra cui Stephen Hawking, che a questi temi ha dedicato la sua vita, le condizioni presenti in prossimità dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, costituiscono il luogo ideale dove cercare una convergenza. Lì, oppure ai primordi dell'Universo. Una cosa facile facile insomma…

Antonio D'Isanto è dottorando in astronomia presso l'Heidelberg Institute for Theoretical Studies in Germania. La sua attività di ricerca si basa sulla cosiddetta astroinformatica, ovvero l'applicazione di tecnologie e metodologie informatiche per la risoluzione di problemi complessi nel campo della ricerca astrofisica. Si occupa inoltre di reti neurali, deep learning e tecnologie di intelligenza artificiale ed ha un forte interesse per la divulgazione scientifica. Da sempre appassionato di sport, è cintura nera 2°dan di Taekwondo, oltre che di lettura, cinema e tecnologia. Siamo felici di annunciarvi che collabora con Tom's Hardware per la produzione di contenuti scientifici.

 


Tom's Consiglia

Se i buchi neri vi affascinano leggete uno dei libri che siano mai stati scritti al riguardo: Dove il tempo si ferma. La nuova teoria sui buchi neri, il cui autore è ovviamente uno dei più grandi studiosi sull'argomento, Stephen Hawking.