Le osservazioni effettuate con il Very Large Telescope dell'ESO hanno rivelato per la prima volta gli effetti previsti dalla relatività generale di Einstein sul moto di una stella che passa attraverso il campo gravitazionale estremo vicino al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. Questo risultato a lungo cercato rappresenta il culmine di una campagna di osservazione durata 26 anni utilizzando i telescopi dell'ESO in Cile.

Oscurato da spesse nuvole di polvere assorbente, il buco nero supermassiccio più vicino alla Terra si trova a 26.000 anni luce di distanza al centro della Via Lattea. Questo mostro gravitazionale, che ha una massa quattro milioni di volte quella del Sole, è circondato da un piccolo gruppo di stelle che orbitano attorno ad esso ad alta velocità. Questo ambiente estremo, il campo gravitazionale più forte della nostra galassia, lo rende il luogo perfetto per esplorare la fisica gravitazionale, e in particolare per testare la teoria della relatività generale di Einstein.

Nuove osservazioni infrarosse dal GRAVITY squisitamente sensibile, Gli strumenti SINFONI e NACO sul Very Large Telescope (VLT) dell'ESO hanno ora permesso agli astronomi di seguire una di queste stelle, chiamato S2, poiché è passata molto vicino al buco nero nel maggio 2018. Nel punto più vicino questa stella si trovava a una distanza inferiore a 20 miliardi di chilometri dal buco nero e si muoveva a una velocità superiore a 25 milioni di chilometri all'ora, quasi il tre percento della velocità della luce.

Il team ha confrontato rispettivamente le misurazioni di posizione e velocità di GRAVITY e SINFONI, insieme a precedenti osservazioni di S2 utilizzando altri strumenti, con le previsioni della gravità newtoniana, relatività generale e altre teorie della gravità. I nuovi risultati sono incoerenti con le previsioni newtoniane e in ottimo accordo con le previsioni della relatività generale.

Queste misurazioni estremamente precise sono state effettuate da un team internazionale guidato da Reinhard Genzel del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) a Garching, Germania, in collaborazione con collaboratori in tutto il mondo, all'Osservatorio di Parigi-PSL, l'Université Grenoble Alpes, CNRS, l'Istituto Max Planck per l'astronomia, l'Università di Colonia, i portoghesi CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação e ESO. Le osservazioni sono il culmine di una serie di 26 anni di osservazioni sempre più precise del centro della Via Lattea utilizzando gli strumenti dell'ESO.

"Questa è la seconda volta che osserviamo il passaggio ravvicinato di S2 attorno al buco nero nel nostro centro galattico. Ma questa volta, a causa di una strumentazione molto migliorata, siamo stati in grado di osservare la stella con una risoluzione senza precedenti, " spiega Genzel. "Ci stiamo preparando intensamente per questo evento da diversi anni, poiché volevamo sfruttare al meglio questa opportunità unica di osservare gli effetti relativistici generali".

Le nuove misurazioni rivelano chiaramente un effetto chiamato redshift gravitazionale. La luce della stella viene allungata a lunghezze d'onda maggiori dal campo gravitazionale molto forte del buco nero. E la variazione della lunghezza d'onda della luce da S2 concorda proprio con quella prevista dalla teoria della relatività generale di Einstein. Questa è la prima volta che questa deviazione dalle previsioni della più semplice teoria newtoniana della gravità è stata osservata nel movimento di una stella attorno a un buco nero supermassiccio.

Il team ha utilizzato SINFONI per misurare la velocità di S2 verso e lontano dalla Terra e lo strumento GRAVITY nell'interferometro VLT (VLTI) per effettuare misurazioni straordinariamente precise della posizione mutevole di S2 al fine di definire la forma della sua orbita. GRAVITY crea immagini così nitide da poter rivelare il movimento della stella di notte in notte mentre passa vicino al buco nero, a 26 000 anni luce dalla Terra.

"Le nostre prime osservazioni di S2 con GRAVITY, circa due anni fa, già dimostrato che avremmo il laboratorio ideale per i buchi neri, " aggiunge Frank Eisenhauer (MPE), Principal Investigator di GRAVITY e dello spettrografo SINFONI. "Durante il passaggio ravvicinato, potremmo persino rilevare il debole bagliore attorno al buco nero sulla maggior parte delle immagini, che ci ha permesso di seguire con precisione la stella sulla sua orbita, portando infine alla rilevazione del redshift gravitazionale nello spettro di S2".

Più di cento anni dopo aver pubblicato il suo articolo che espone le equazioni della relatività generale, Einstein ha avuto ragione ancora una volta, in un laboratorio molto più estremo di quanto avrebbe potuto immaginare!

Françoise Delplancke, capo del dipartimento di ingegneria dei sistemi dell'ESO, spiega il significato delle osservazioni:"Qui nel Sistema Solare possiamo solo testare le leggi della fisica ora e in determinate circostanze. Quindi è molto importante in astronomia controllare anche che quelle leggi siano ancora valide dove i campi gravitazionali sono molto più forti ."

Si prevede che le osservazioni continue riveleranno molto presto un altro effetto relativistico:una piccola rotazione dell'orbita della stella, nota come precessione di Schwarzschild, poiché S2 si allontana dal buco nero.

Xavier Barcons, Direttore Generale dell'ESO, conclude:"L'ESO ha lavorato con Reinhard Genzel e il suo team e i suoi collaboratori negli Stati membri dell'ESO per oltre un quarto di secolo. È stata una grande sfida sviluppare gli strumenti straordinariamente potenti necessari per effettuare queste misurazioni molto delicate e utilizzarle a il VLT in Paranal. La scoperta annunciata oggi è il risultato molto entusiasmante di una straordinaria partnership".