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7 minuti di letturaLa febbre gravitazionale del sabato sera: osservata una stella danzare attorno al buco nero al centro della Via Lattea

Proprio come John Travolta ne La febbre del sabato sera, le stelle nel cuore della Via Lattea non riescono a contenersi quando incontrano la gravità di un buco nero. No, non sono impazzito: sto parlando delle ultimissime osservazioni fatte del moto delle stelle attorno al centro della Via Lattea. Per capire bene di che si tratta partiamo dall’inizio.

Il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea

Al centro della nostra galassia, la Via Lattea, c’è un buco nero.

Un buco nero è un corpo celeste che ha una massa molto grande racchiusa in uno spazio molto piccolo. Sebbene i buchi neri solitamente si formino dopo il collasso di stelle molto grosse (più di 40 volte la massa del Sole), il buco nero al centro della Via Lattea ha una massa di milioni di volte la massa del Sole: per questo è chiamato buco nero supermassiccio.

Questo è ciò che ci dicono le osservazioni e le teorie che abbiamo a disposizione. Per la precisione, la sorgente che associamo al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea è chiamata Sagittarius A*.

Il buco nero al centro della Via Lattea

Tutto nasce da vari tipi di osservazioni astrofisiche che non sembrano lasciare alternative. Per esempio questa qui. Non è un simulazione al computer: si tratta di dati veri, di vere stelle che si muovono al centro della Via Lattea.

Negli ultimi istanti di questo video si vede una stella fare un’orbita chiusa attorno a una regione completamente buia al centro della Via Lattea (indicato con una croce gialla). Perché è importante ciò?

Per prima cosa, guardate il conteggio degli anni in alto a sinistra: le osservazioni vanno dal 1992 al 2003. Giusto per dire che ci vuole pazienza per studiare il centro della Via Lattea (ma su questo ci torniamo tra poco). Poi, l’orbita: avere un’orbita chiusa permette di misurare due quantità molto importanti, ovvero il periodo con cui la stella fa l’orbita e la distanza della stella da punto attorno a cui orbita.

Con queste due quantità è possibile, tramite le leggi della gravità, stimare quale potrebbe essere la massa totale del sistema composto dalla massa della stella che orbita più la massa dell’oggetto buio e oscuro attorno a cui la stella orbita. Se facciamo questa stima con i dati del video otteniamo che questa massa totale è alcuni milioni di volte la massa del Sole.

Ora, la stella, come tutte le stelle avrà più o meno una massa tipo dieci o cinquanta volte la massa del Sole. Mancano all’appello ancora qualche milione di masse solari per soddisfare ciò che salta fuori dalla teoria. Quindi vuol dire che, se la teoria è giusta, l’oggetto buio e oscuro al centro della Via Lattea potrebbe essere proprio un buco nero, l’unico oggetto che può contenere una massa così grande in uno spazio fisico così ristretto.

Tutto questo dimostra che lo studio delle orbite dei corpi celesti attorno al buco nero può essere molto utile per capire meglio che cosa stia succedendo al centro della Via Lattea. Abbiamo visto che le stelle attorno al centro della Via Lattea fanno orbite ellittiche. Questo ha senso: è proprio ciò che fa la gravità, l’interazione che entra in gioco tra corpi che hanno massa.

Per esempio: la Terra si muove in orbita attorno a un corpo celeste molto più massiccio, il Sole. L’orbita della Terra è una ellisse quasi circolare. Lo stesso accade a tutti i pianeti del Sistema solare.

Prendiamo il pianeta più vicino al Sole, cioè Mercurio.

Mercurio è il corpo celeste che sente gli effetti più intensi della gravità del Sole. Newton descrive bene l’orbita ellittica di Mercurio ma c’è qualcosa che non va. Mentre Mercurio gira attorno al Sole, tutta la sua orbita interamente gira intorno al Sole. È più facile vederlo che dirlo.

L’ellisse percorsa da Mercurio si muove attorno al Sole: è un effetto della forte gravità del Sole, data la vicinanza di Mercurio alla stella.

Ma perché l’orbita di Mercurio fa questa cosa strana? Beh, tecnicamente tutti i pianeti fanno questa cosa, però l’effetto su Mercurio è quello più vistoso nel corso di un periodo breve, un giro e mezzo circa ogni cento anni. Questo è ciò che si misura e questo effetto si chiama precessione del perielio di Mercurio.

La precessione di Mercurio è prevista anche dalla teoria di Newton. Con un piccolo problema però: se si fanno i conti con la teoria di Newton l’orbita di Mercurio dovrebbe fare un pelino meno di un giro e mezzo come ogni secolo come osservato.

Nel 1859 un astrofisico francese, Urban Le Verrier si appassionò a questo problema. Le Verrier in realtà arrivò di slancio su questa storia che non tornavano i conti della precessione di Mercurio: infatti, qualche anno prima, precisamente nel 1846, Le Verrier aveva ipotizzato l’esistenza del pianeta Nettuno dallo studio delle osservazioni nell’orbita di Urano che non tornavano con la teoria di Newton. E ci beccò, Nettuno fu scoperto proprio quell’anno.

Allo stesso modo con Mercurio, Le Verrier interpretò il fatto che i conti non tornassero con la teoria di Newton come l’indizio che ci fosse un ulteriore pianeta tra Mercurio e il Sole. Le Verrier chiamò questo pianeta Vulcano, ma nessuno vide mai questo nuovo pianeta. Come mai?

Beh, perché la teoria di Newton ci azzecca ma solo se siamo in una situazione in cui la gravità è poco intensa, come per esempio nel caso di Urano e Nettuno, cioè abbastanza lontano dal Sole. Sicuramente non è il caso dell’orbita di Mercurio, pianeta molto più vicino al Sole.

E allora tocca aspettare il 1916, quando Albert Einstein va oltre la teoria di Isaac Newton (del 1687) e descrive la gravità con la sua teoria della relatività.

Ecco, se si fanno i conti con la teoria della relatività generale di Einstein allora salta fuori esattamente ciò che osserviamo con Mercurio. E il mistero della precessione del perielio di Mercurio fu risolto. Anzi, di più: fu confermata la validità della teoria della relatività.

La scoperta: precessione della stella attorno al buco nero

Ora, che succede se al posto del Sole abbiamo il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea e al posto di Mercurio abbiamo una stella in orbita? Beh, dovremmo osservare la precessione del perielio della stella.

Ora la domanda è: osserviamo la precessione del perielio della stella? Sì, la risposta è che finalmente siamo riusciti a osservarla questa precessione. Tutto merito del complesso del Very Large Telescope (VLT) dell’European Southern Observatory (ESO), in Cile, nel deserto di Atacama.

Il complesso del VLT è composto da quattro telescopi ottici che sono combinati a fare interferometria: vuol dire che con la luce catturata dai quattro telescopi si crea una sintesi per aumentare la quantità di informazioni disponibili. La precessione del perielio della stella attorno al buco nero, questa danza gravitazionale al centro della nostra galassia, si è potuta osservare grazie ad alcuni strumenti davvero potenti a bordo del VLT. Uno di questi, usato per osservare la precessione della stella, è GRAVITY, uno strumento che permette proprio di fare inteferometria, quindi di aumentare la risoluzione delle osservazioni. In questo modo si riesce a vedere in maggior dettaglio regioni di cielo molto lontane: una caratteristica essenziale per riuscire ad osservare un oggetto molto piccolo come un buco nero a migliaia di anni luce di distanza da noi.

Anche in questo caso, per l’osservazione del perielio della stella attorno al buco nero al centro della Via Lattea, la pazienza degli astrofisici è stata fondamentale: ci sono voluti 27 anni di osservazioni per poter studiare in grande dettaglio diversi passaggi dell’orbita della stella.

Anzi, meglio: il fatto di aver beccato la precessione dell’orbita della stella suggerisce ancora di più che in quella zona buia e oscura al centro del Via Lattea ci deve proprio essere un buco nero molto massiccio: questo perché ciò che è stato misurato è completamente compatibile con ciò che dice la teoria della relatività quando abbiamo a che fare con una coppia formata da stella e buco nero supermassiccio. Tutte le altre spiegazioni spiegano peggio o molto peggio ciò che osserviamo.

Questo è ciò che accade, mostrato in questa animazione.

Queste osservazioni sono incredibili: solo cento anni fa si discuteva per capire se la teoria della relatività fosse una buona teoria della relatività oppure no, mentre al giorno d’oggi siamo in grado di misurarne tutti gli effetti più strabilianti.

Oggi misuriamo le onde gravitazionali da buchi neri che si scontrano, fotografiamo (tra virgolette) buchi neri al centro di galassie e ne vediamo gli effetti tramite la danza gravitazionale delle stelle che orbitano là attorno. La teoria della relatività generale dimostra ogni volta di essere una teoria valida della gravità. Sono ancora molte le cose che non sappiamo: non conosciamo il meccanismo che porta a formare i buchi neri supermassicci come quello al centro della Via Lattea e non abbiamo idea di quanto dovremmo avvicinarsi a un buco nero per avere effetti che vanno oltre la teoria della relatività.

Per rispondere a tutte queste domande c’è solo un modo: mettere alle strette la teoria di Einstein, testarne la validità fino all’estremo delle sue possibilità. Duecento anni fa quel posto estremo era Mercurio, il pianeta più vicino al Sole; oggi quel posto estremo è il centro della Via Lattea. Domani, chissà.

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