Le osservazioni effettuate con il Very Large Telescope (VLT) dell'ESO hanno rivelato per la prima volta che una stella in orbita attorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea si muove proprio come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. La sua orbita ha la forma di una rosetta e non di un'ellisse come previsto dalla teoria della gravità di Newton. Questo effetto, nota come precessione di Schwarzschild, non era mai stato misurato prima di una stella attorno a un buco nero supermassiccio. L'impressione di questo artista illustra la precessione dell'orbita della stella, con l'effetto esagerato per una più facile visualizzazione. Credito:ESO/L. Calçada
Le osservazioni effettuate con il Very Large Telescope (VLT) dell'ESO hanno rivelato per la prima volta che una stella in orbita attorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea si muove proprio come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein. La sua orbita ha la forma di una rosetta e non di un'ellisse come previsto dalla teoria della gravità di Newton. Questo risultato a lungo ricercato è stato reso possibile da misurazioni sempre più precise in quasi 30 anni, che hanno permesso agli scienziati di svelare i misteri del colosso in agguato nel cuore della nostra galassia.
"La Relatività Generale di Einstein prevede che le orbite legate di un oggetto attorno a un altro non sono chiuse, come nella gravità newtoniana, ma precedono in avanti nel piano del moto. Questo famoso effetto, visto per la prima volta nell'orbita del pianeta Mercurio attorno al Sole, fu la prima prova a favore della Relatività Generale. Cento anni dopo abbiamo rilevato lo stesso effetto nel moto di una stella in orbita attorno alla radiosorgente compatta Sagittarius A* al centro della Via Lattea. Questa scoperta osservativa rafforza l'evidenza che Sagittarius A* deve essere un buco nero supermassiccio di 4 milioni di volte la massa del Sole, "dice Reinhard Genzel, Direttore del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) a Garching, Germania e artefice del programma trentennale che ha portato a questo risultato.
Situato a 26 000 anni luce dal Sole, Sagittarius A* e il denso ammasso di stelle intorno ad esso forniscono un laboratorio unico per testare la fisica in un regime di gravità altrimenti inesplorato ed estremo. Una di queste stelle, S2, si avvicina al buco nero supermassiccio a una distanza minima inferiore a 20 miliardi di chilometri (centoventi volte la distanza tra il Sole e la Terra), rendendola una delle stelle più vicine mai trovate in orbita attorno al gigante massiccio. Al suo massimo avvicinamento al buco nero, S2 sta sfrecciando nello spazio a quasi il tre percento della velocità della luce, completando un'orbita una volta ogni 16 anni. "Dopo aver seguito la stella nella sua orbita per oltre due decenni e mezzo, le nostre squisite misurazioni rilevano in modo affidabile la precessione di Schwarzschild di S2 nel suo percorso attorno a Sagittarius A*, " dice Stefan Gillessen dell'MPE, che ha condotto l'analisi delle misurazioni pubblicate oggi sulla rivista Astronomia e astrofisica .
La maggior parte delle stelle e dei pianeti ha un'orbita non circolare e quindi si avvicina e si allontana dall'oggetto attorno al quale ruota. precesso orbitale di S2, il che significa che la posizione del suo punto più vicino al buco nero supermassiccio cambia ad ogni svolta, tale che l'orbita successiva viene ruotata rispetto alla precedente, creando una forma a rosetta. La Relatività Generale fornisce una previsione precisa di quanto cambia la sua orbita e le ultime misurazioni di questa ricerca corrispondono esattamente alla teoria. Questo effetto, nota come precessione di Schwarzschild, non era mai stato misurato prima di una stella attorno a un buco nero supermassiccio.
Lo studio con il VLT dell'ESO aiuta anche gli scienziati a conoscere meglio la vicinanza del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. "Poiché le misurazioni S2 seguono così bene la Relatività Generale, possiamo fissare limiti rigorosi sulla quantità di materiale invisibile, come materia oscura distribuita o possibili buchi neri più piccoli, è presente intorno al Sagittario A*. Questo è di grande interesse per comprendere la formazione e l'evoluzione dei buchi neri supermassicci, "dicono Guy Perrin e Karine Perraut, i principali scienziati francesi del progetto.
Questo risultato è il culmine di 27 anni di osservazioni della stella S2 utilizzando, per la parte migliore di questo tempo, una flotta di strumenti al VLT dell'ESO, situato nel deserto di Atacama in Cile. Il numero di punti dati che segnano la posizione e la velocità della stella attesta la completezza e l'accuratezza della nuova ricerca:il team ha effettuato oltre 330 misurazioni in totale, usando la GRAVITÀ, Strumenti SINFONI e NACO. Poiché S2 impiega anni per orbitare attorno al buco nero supermassiccio, è stato fondamentale seguire la stella per quasi tre decenni, per svelare le complessità del suo movimento orbitale.
La ricerca è stata condotta da un team internazionale guidato da Frank Eisenhauer dell'MPE con collaboratori francesi, Portogallo, Germania ed ESO. Il team costituisce la collaborazione GRAVITY, prende il nome dallo strumento che hanno sviluppato per l'interferometro VLT, che combina la luce di tutti e quattro i telescopi VLT da 8 metri in un supertelescopio (con una risoluzione equivalente a quella di un telescopio di 130 metri di diametro). Lo stesso team ha riportato nel 2018 un altro effetto previsto dalla Relatività Generale:hanno visto la luce ricevuta da S2 allungarsi a lunghezze d'onda più lunghe mentre la stella passava vicino a Sagittarius A*. "Il nostro risultato precedente ha mostrato che la luce emessa dalla stella sperimenta la Relatività Generale. Ora abbiamo mostrato che la stella stessa percepisce gli effetti della Relatività Generale, "dice Paolo Garcia, un ricercatore presso il Centro portoghese di astrofisica e gravitazione e uno dei principali scienziati del progetto GRAVITY.
A sinistra:i punti dati per l'orbita di S2 attorno a Sgr A* (croce nera a (0, 0)) sono stati raccolti da diversi strumenti con il VLT in 27 anni. Anche se l'orbita della stella appare quasi chiusa in questa immagine, la piccola precessione di Schwarzschild è significativamente rilevata e corrisponde alle previsioni teoriche della relatività generale. Questo effetto è notevolmente esagerato nella rappresentazione artistica di cui sopra. La figura a destra mostra che le posizioni della stella (punti turchesi) concordano con le previsioni teoriche della relatività generale (linea rossa) all'interno dell'imprecisione di misurazione. La previsione newtoniana (linea tratteggiata blu) è chiaramente esclusa. Credito:© MPE
Con l'imminente Extremely Large Telescope dell'ESO, il team crede che sarebbero in grado di vedere stelle molto più deboli in orbita ancora più vicine al buco nero supermassiccio. "Se siamo fortunati, potremmo catturare le stelle abbastanza vicine da sentire effettivamente la rotazione, la rotazione, del buco nero, " dice Andreas Eckart dell'Università di Colonia, un altro dei principali scienziati del progetto. Ciò significherebbe che gli astronomi sarebbero in grado di misurare le due quantità, rotazione e massa, che caratterizzano Sagittario A* e definiscono lo spazio e il tempo intorno ad esso. "Sarebbe di nuovo un livello completamente diverso di test della relatività, "dice Eckart.
Questa ricerca è stata presentata nel documento "Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic center massive black hole" per apparire in Astronomia e astrofisica .
