Astrofisica: prima dimostrazione di effetti di relatività nelle stelle in orbita intorno al buco nero supermassiccio al centro della Galassia

Le orbite delle stelle intorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea mostrano i quasi impercettibili effetti previsti dalla teoria generale della relatività di Einstein

Questa rappresentazione artistica mostra l'orbita di tre tra le stelle più vicine al buco nero supermassicio al centro della Via lattea. L'analisi dei dati del VLT (Very Large Telescope) dell'ESO e di altri telescopi hanno rivelato che le orbite di queste stelle mostrano i quasi impercettibili effetti previsti dalla teoria di Einstein della relatività generale. L'orbita della stella nota come S2 devia leggermente dal percorso calcolato con la fisica classica. La posizione del buco nero supermassicio è segnata con un cerchio bianco circondato da un alone blu. Crediti: ESO/M. Parsa/L. Calçada

Una nuova analisi dei dati presi dal VLT (Very Large Telescope) dell’ESO e da altri telescopi rivela per la prima volta che le orbite delle stelle intorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea mostrano i quasi impercettibili effetti previsti dalla teoria generale della relatività di Einstein. L’orbita della stella S2 devia leggermente dal percorso calcolato con la fisica classica. Questo risultato stuzzicante è solo il preludio di misure ancora più precise e di verifiche della teoria della relatività che verranno effettuate con lo strumento GRAVITY quando la stella S2 passerà molto vicino al buco nero nel 2018.

Questa rappresentazione artistica mostra parte dell'orbita di una delle stelle molto vicine al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. L'analisi dei dati del VLT (Very Large Telescope) dell'ESO e di altri telescopi hanno rivelato che le orbite di queste stelle mostrano i quasi impercettibili effetti previsti dalla teoria di Einstein della relatività generale. L'orbita della stella nota come S2 devia leggermente dal percorso calcolato con la fisica classica. Questo primo piano dell'orbita della stella S2 mostra come il cammino percorso dalla stella sia leggermente diverso, a causa degli effetti della relatività generale, quando ha percorso la stessa parte dell'orbita la seconda volta, 15 anni dopo. Crediti: ESO/M. Parsa/L. Calçada
Questa rappresentazione artistica mostra parte dell’orbita di una delle stelle molto vicine al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. L’analisi dei dati del VLT (Very Large Telescope) dell’ESO e di altri telescopi hanno rivelato che le orbite di queste stelle mostrano i quasi impercettibili effetti previsti dalla teoria di Einstein della relatività generale. L’orbita della stella nota come S2 devia leggermente dal percorso calcolato con la fisica classica.
Questo primo piano dell’orbita della stella S2 mostra come il cammino percorso dalla stella sia leggermente diverso, a causa degli effetti della relatività generale, quando ha percorso la stessa parte dell’orbita la seconda volta, 15 anni dopo.
Crediti:
ESO/M. Parsa/L. Calçada

Al centro della Via Lattea, a circa 26 000 anni luce dalla Terra, si trova il buco nero supermassiccio più vicino a noi, con una massa pari a quattro milioni di volte quella del Sole. Questo oggetto mostruoso è circondato da un piccolo gruppo di stelle in orbita ad alta velocità nel campo gravitazionale elevatissimo del buco nero. È un ambiente perfetto in cui verificare la fisica della gravitazione e in particolare la teoria della relatività generale di Einstein.

Un gruppo di astronomi tedeschi e cechi ha applicato una nuova tecnica di analisi alla ricchissima serie di osservazioni esistenti delle stelle in orbita intorno al buco nero, osservazioni accumulate con il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO in Cile e altri telescopi negli ultimi venti anni [1]. Essi confrontano le orbite stellari misurate con le previsioni fatte utilizzando sia la teoria della gravità classica di Newton, che la relatività generale.

Il gruppo ha trovato prove di piccoli cambiamenti nel moto di una stella, nota come S2, consistenti con le previsioni della relatività generale [2]. Il cambiamento dovuto agli effetti relativistici è di solo pochi percento nella forma dell’orbita, e di un sesto di grado nell’orientamento dell’orbita stessa [3]. È la prima volta che si riesce a ottenere una misura della forza degli effetti della relatività generale per una stella in orbita intorno a un buco nero supermassiccio.

Le zone centrali della Galassia, la Via Lattea, osservate nel vicino infrarosso con lo strumento NACO installato sul VLT dell'ESO. La posizione del centro, che ospita il buco nero (invsibile) noto come Sgr A*, con una massa di 4 milioni di volte quella del Sole, è indicata da una croce arancione. La stella S2 passerà vicino al buco nero nel 2018, quando verrà usata come una sonda per verificare gli effetti di gravità forte e di conseguenza la teoria della relatività generale di Einstein. Crediti: ESO/MPE/S. Gillessen et al.
Le zone centrali della Galassia, la Via Lattea, osservate nel vicino infrarosso con lo strumento NACO installato sul VLT dell’ESO. La posizione del centro, che ospita il buco nero (invsibile) noto come Sgr A*, con una massa di 4 milioni di volte quella del Sole, è indicata da una croce arancione.
La stella S2 passerà vicino al buco nero nel 2018, quando verrà usata come una sonda per verificare gli effetti di gravità forte e di conseguenza la teoria della relatività generale di Einstein.
Crediti:
ESO/MPE/S. Gillessen et al.

Marzieh Parsa, dottoranda all’Università di Colonia, Germania e prima autrice dell’articolo è estatica: “Il centro galattico è veramente il miglior laboratorio per studiare il moto delle stelle in ambiente relativistico. Mi sono meravigliata dell’efficacia con cui abbiamo potuto applicare ai dati di alta precisione ottenuti per le stelle più interne, ad alta velocità, vicine al buco nero supermassiccio, gli stessi metodi sviluppati con le stelle simulate.

L’elevata accuratezza delle misure di posizione, resa possibile dagli strumenti di ottica adattiva per l’infrarosso del VLT, è essenziale per il successo dello studio [4], non solo durante l’avvicinamento della stella al buco nero, ma soprattutto quando S2 era più lontana. Questi ultimi dati hanno permesso di determinare accuratamente la forma dell’orbita e come essa cambia sotto l’influenza della relatività.

Nel corso dell’analisi ci siamo accorti che per determinare gli effetti relativistici su S2 serve assolutamente conoscere l’intera orbita con una precisione elevata“, commenta Andreas Eckart, responsabile del gruppo dell’Università di Colonia.

Oltre a informazioni più precise sull’orbita di S2, la nuova analisi fornisce anche la massa del buco nero e la sua distanza dalla Terra con una maggior accuratezza [5].

Il coautore Vladimir Karas dell’Accademia delle Scienze di Praga, nella Repubblica Ceca, è entusiasta per il futuro: “È rassicurante che S2 mostri gli effetti relativistici attesi sulla base della sua vicinanza all’estrema concentrazione di massa al centro della Via Lattea. Questo apre nuove strade a teorie e esperimenti in questo ambito scientifico.

L’analisi presentata è il preludio di un periodo esaltante di osservazioni del centro galattico da parte di astronomi di tutto il mondo. Nel 2018 la stella S2 si avvicinerà al buco nero supermassiccio e allora lo strumento GRAVITY, sviluppato da un grande consorzio internazionale guidato dal Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik di Garching, Germania [6] e installato sull’interferometro del VLT [7], sarà attivo e aiuterà gli astronomi a misurare l’orbita in modo più preciso di quanto sia attualmente possibile. Non solo ci si aspetta che riveli gli effetti di relatività generale molto chiaramente, ma permetterà anche agli astronomi di cercare deviazioni dalla relatività generale che potrebbero rivelare una nuova fisica.

Note

[1] Per questo studio sono stati usati i dati della camera NACO per il vicino infrarosso, ora installata sul telescopio UT1 (Antu) del VLT e lo spettrometro per il vicino infrarosso SINFONI, installato al telescopio UT4 (Yepun), oltre ad alcuni dati pubblicati ottenuti all’osservatorio Keck.

[2] S2 è una stella di 15 masse solari su di un’orbita ellittica intorno al buco nero supermassiccio. Ha un periodo di circa 15,6 anni e si avvicina al buco nero fino a 17 ore luce – cioè appena 120 volte la distanza tra il Sole e la Terra.

[3] Un effetto simile, ma molto più piccolo, è visibile nell’orbita del pianeta Mercurio, nel Sistema Solare. Tale misura fu una delle prime evidenze, alla fine del diciannovesimo secolo, che suggerivano che la gravità di Newton non era la versione definitiva e che un nuovo approccio e nuove intuizioni erano necessari per comprendere la gravità nel caso di campo forte. Ciò alla fine portò alla pubblicazione di Einstein della sua teoria generare della relatività , basata sullo spazio-tempo curvo, nel 1915.

Quando le orbite di stelle o pianeti vengono calcolate secondo la relatività generale, invece che la gravità newtoniana, evolvono in modo diverso. Le previsioni dei piccoli cambiamenti della forma e orientamento  delle orbite con il tempo sono diverse nelle due teorie e possono essere confrontate con le misure per verificare la validità della relatività generale.

[4] Un sistema di ottica adattiva compensa in tempo reale le distorsioni nell’immagine prodotte dalla turbolenza dell’atmosfera e permette di usare il telescopio a risoluzione angolare (nitidezza di immagine) molto maggiore, in linea di principio limitata solo dal diametro dello specchio e dalla lunghezza d’onda della luce usata per le osservazioni.

[5] Il gruppo ha trovato una massa del buco nero 4,2 × 106 volte la massa del Sole e una distanza da noi di 8,3 chiloparsec, corripondenti a quasi 27 000 anni luce.

[6] L’Università di Colonia fa parte del consorzio GRAVITY  (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity) e ha fornito al sistema gli spettrometri combinatori di fascio.

[7] La prima luce di GRAVITY è stata all’inizio del 2016 e lo strumento sta già osservando il centro galattico