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Orbite stellari accelerate intorno a Sagittarius A*

Nel cuore della Via Lattea, a 26.000 anni luce da noi, un buco nero supermassiccio chiamato Sagittarius A* domina l’ambiente estremo con la sua massa di 4 milioni di soli. Le orbite di stelle come S4714, che raggiungono l’8% della velocità della luce, offrono un laboratorio unico per verificare la relatività generale di Einstein. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO.


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L’occhio infrarosso che ha squarciato le polveri galattiche
L’animazione che ha fatto il giro del mondo, costruita con dati reali del Very Large Telescope (VLT) dell’ESO in Cile, mostra stelle che disegnano ellissi mozzafiato intorno a un punto che sembra vuoto. Dietro quella danza cosmica c’è un lavoro strumentale durato più di venticinque anni, durante i quali i team indipendenti di Reinhard Genzel e Andrea Ghez hanno spinto l’astrometria a livelli di precisione impossibili fino a pochi decenni fa. Il centro galattico, immerso nella costellazione del Sagittario, è nascosto da una cortina di polveri e gas spessa migliaia di anni luce che blocca quasi completamente la luce visibile. Per penetrare quella barriera, gli astronomi hanno sfruttato la finestra dell’infrarosso vicino, dove le polveri diventano più trasparenti. Il VLT, situato a 2635 metri di altitudine sul Cerro Paranal, utilizza quattro telescopi principali di 8,2 metri di diametro in grado di operare in modalità interferometrica, ma le osservazioni decisive per il centro galattico sono state ottenute con gli strumenti montati su un singolo telescopio, in particolare la camera infrarossa NAOS-CONICA (NACO) e lo spettrografo a campo integrale SINFONI. L’ottica adattiva, che corregge in tempo reale la turbolenza atmosferica, ha avuto un ruolo cruciale: un laser a 589 nanometri proietta una stella guida artificiale nel cielo, permettendo al sistema di deformare uno specchio flessibile centinaia di volte al secondo per restituire immagini quasi equivalenti a quelle ottenibili dallo spazio. Grazie a questa tecnologia, è stato possibile misurare posizioni stellari con un’accuratezza dell’ordine del millesimo di secondo d’arco, sufficiente per distinguere il movimento di una stella che si trova a 26.000 anni luce di distanza e che si muove di pochi microarcosecondi al giorno. La tecnica dello speckle imaging, che combina centinaia di esposizioni brevissime per congelare la turbolenza, ha ulteriormente migliorato la risoluzione, consentendo di seguire l’orbita completa di stelle come S2, che ha un periodo di circa 16 anni, e di rilevare le accelerazioni improvvise quando queste stelle si avvicinano al perielio. Le campagne osservative, iniziate nel 1992 e proseguite ininterrottamente con strumenti sempre più sensibili, hanno accumulato un archivio di posizioni e velocità che oggi costituisce la prova più solida dell’esistenza di un buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. Il premio Nobel per la fisica 2020, assegnato congiuntamente a Genzel e Ghez, ha riconosciuto proprio questo sforzo monumentale, che ha trasformato il centro galattico in un laboratorio di fisica fondamentale accessibile con telescopi. La quantità di dati raccolti ha anche permesso di scartare ipotesi alternative, come ammassi di stelle di neutroni o concentrazioni di materia oscura, che non riuscirebbero a spiegare la concentrazione di massa così enorme in un volume tanto ridotto. L’analisi delle orbite ha mostrato che alcune stelle, come S2 e la più recente S4714, non seguono semplici ellissi newtoniane, ma esibiscono una precessione del perielio coerente con le predizioni della relatività generale, fornendo una verifica in un regime di campo gravitazionale forte mai testato prima con tale precisione. L’intero archivio di osservazioni, condensato in un filmato di circa vent’anni, è oggi pubblico e continua ad essere aggiornato, permettendo a chiunque di assistere al moto orbitale reale di stelle intorno a un mostro invisibile di massa pari a oltre quattro milioni di soli.

Sagittarius A*: il cuore oscuro e la sua ombra fotografata
Al centro esatto di quel carosello di stelle si trova Sagittarius A* (pronunciato A-star), una sorgente radio compatta e brillante identificata per la prima volta nel 1974 da Bruce Balick e Robert Brown. Da allora, la sua natura è stata oggetto di un acceso dibattito, ma oggi l’ipotesi del buco nero supermassiccio è schiacciante. Con una massa di circa 4,3 milioni di masse solari, Sagittarius A* ha un raggio di Schwarzschild di circa 12 milioni di chilometri, meno del 10% della distanza tra la Terra e il Sole. Questo significa che tutta quella massa è concentrata in un volume così piccolo che nessuna altra spiegazione astrofisica regge: una stella di neutroni o un ammasso stellare collasserebbe immediatamente in un buco nero a quelle densità. L’ambiente immediatamente circostante è estremamente turbolento, con nubi di gas ionizzato che orbitano a velocità prossime a quella del suono e occasionalmente producono brillamenti infrarossi e radio quando il materiale precipita verso l’orizzonte degli eventi. Nel 2017, l’Event Horizon Telescope (EHT) ha puntato una rete globale di radiotelescopi, sincronizzati da orologi atomici, verso il centro della nostra galassia e verso il buco nero al centro di M87. Nel maggio 2022, la collaborazione EHT ha pubblicato l’immagine di Sagittarius A*, la prima fotografia del buco nero supermassiccio più vicino a noi. L’immagine mostra un anello di radiazione asimmetrico con una zona centrale scura, l’ombra del buco nero, circondata da fotoni che hanno sfiorato l’orizzonte degli eventi e sono stati curvati dalla gravità estrema. La ricostruzione di quella foto ha richiesto anni di calcoli e l’uso di algoritmi sofisticati, perché a differenza del buco nero di M87, molto più massiccio e stabile, Sagittarius A* è molto più piccolo e variabile su scale temporali di minuti, rendendo l’acquisizione dei dati una sfida formidabile. L’anello luminoso ha un diametro apparente di circa 52 microarcosecondi, compatibile con le predizioni della relatività generale per un buco nero in rotazione. Le simulazioni numeriche suggeriscono che Sagittarius A* potrebbe ruotare su se stesso, anche se il suo spin non è ancora stato misurato con certezza. L’immagine dell’EHT rappresenta la prova visiva più diretta che al centro della nostra galassia si nasconde un buco nero supermassiccio, confermando in modo indipendente quanto già dedotto dalle orbite stellari. Il risultato ha unito due filoni di ricerca complementari: la dinamica stellare osservata dal VLT e la radioastronomia ad altissima risoluzione dell’EHT, fornendo un quadro coerente e dettagliato del cuore oscuro della Via Lattea.

S4714 e le stelle proiettile: quando l’8% della velocità della luce diventa realtà
Tra le decine di stelle di cui è stata ricostruita l’orbita, alcune si distinguono per valori estremi che sembrano usciti da un romanzo di fantascienza. La stella S4714, scoperta di recente grazie a un’analisi approfondita dei dati NACO e SINFONI condotta dal gruppo di Florian Peissker, ha un’orbita ellittica con un periodo di circa 12 anni e una distanza minima al perielio di appena 12 unità astronomiche, equivalente a meno di 2 miliardi di chilometri da Sagittarius A*. Per dare un termine di paragone, Urano orbita attorno al Sole a circa 19 unità astronomiche: S4714 si avvicina al buco nero supermassiccio molto più di quanto Urano si avvicini al Sole, ma con una massa centrale quattro milioni di volte superiore. Quando questa stella raggiunge il punto più vicino della sua orbita, la velocità rispetto al buco nero sfiora i 24.000 chilometri al secondo, cioè 86 milioni di chilometri all’ora, l’8% della velocità della luce nel vuoto. A tale regime, gli effetti della relatività ristretta diventano significativi: il tempo per un ipotetico osservatore sulla superficie di S4714 scorrerebbe più lentamente rispetto a un orologio lontano, e la luce emessa dalla stella subirebbe un forte spostamento verso il blu quando è diretta verso di noi durante l’avvicinamento. S4714 non è l’unica stella proiettile del centro galattico. S62, con un periodo di circa 10 anni, arriva a una distanza di circa 16 unità astronomiche e raggiunge velocità intorno al 7% della velocità della luce, mentre S4711 detiene un’altra orbita molto eccentrica che la porta a circa 22 miliardi di chilometri dal buco nero. Queste stelle appartengono a una popolazione giovane e massiccia, di tipo spettrale B, che non dovrebbe trovarsi così vicina a un buco nero supermassiccio secondo i modelli standard di formazione stellare. La loro presenza è un enigma astrofisico: potrebbero essersi formate in un disco di gas che ruotava attorno a Sagittarius A* milioni di anni fa, oppure essere state catturate da sistemi binari disgregati dall’intensa marea gravitazionale. L’alta eccentricità delle orbite suggerisce che queste stelle siano state “scagliate” verso l’interno a causa di interazioni dinamiche con altre stelle o con la complessa struttura del potenziale gravitazionale. Il monitoraggio continuo di queste stelle permette di misurare con precisione l’effetto di precessione relativistica e di cercare eventuali deviazioni dalle predizioni di Einstein che potrebbero suggerire nuova fisica. In particolare, S4714, proprio per la sua orbita stretta e la velocità estrema, è un candidato ideale per testare l’effetto Lense-Thirring, ovvero il trascinamento dello spazio-tempo causato dalla rotazione del buco nero. Misurare questo effetto richiederebbe di osservare un minuscolo spostamento del piano orbitale nel corso di alcune rivoluzioni, un’impresa che oggi è al limite delle capacità strumentali ma che potrebbe diventare fattibile con il futuro Extremely Large Telescope (ELT) e con interferometri di nuova generazione.

La relatività generale messa alla prova nel laboratorio galattico
Il centro galattico offre un’opportunità unica per mettere alla prova la teoria della relatività generale in un regime di gravità forte che non può essere riprodotto in laboratorio. La prima verifica spettacolare è arrivata con la stella S2, che nel maggio 2018 ha raggiunto il perielio della sua orbita di 16 anni, passando a sole 120 unità astronomiche da Sagittarius A*, circa quattro volte la distanza di Nettuno dal Sole. In quella occasione, una campagna osservativa senza precedenti, coordinata da Genzel e dal suo team con gli strumenti GRAVITY e SINFONI installati sul VLT, ha misurato simultaneamente la posizione e la velocità radiale della stella con una precisione mai raggiunta prima. GRAVITY, uno strumento di interferometria a quattro telescopi, ha permesso di seguire il moto di S2 quasi in tempo reale, rivelando un effetto combinato di redshift gravitazionale e di spostamento Doppler trasversale che deforma la luce emessa dalla stella esattamente come previsto da Einstein. Quando S2 era al perielio, la sua velocità orbitale ha raggiunto quasi 7.650 chilometri al secondo, circa il 2,6% della velocità della luce, e la luce in fuga dal campo gravitazionale intenso ha perso energia, spostandosi verso il rosso di circa 200 chilometri al secondo rispetto a quanto previsto dalla sola meccanica newtoniana. Questo spostamento è stato misurato con un’incertezza di soli 7 chilometri al secondo, un risultato straordinario che ha escluso alcune teorie alternative della gravità. Oltre al redshift, la relatività generale prevede che l’orbita ellittica non sia chiusa, ma che il perielio preceda nello spazio di circa 12 arcosecondi per ogni rivoluzione. Per S2, questa precessione è stata rilevata confrontando la sua orbita con quella di altre stelle e con i modelli newtoniani, e il valore osservato è in accordo con la predizione relativistica entro un margine di errore inferiore al 10%. Ulteriori test riguardano la violazione del principio di equivalenza e la ricerca di una quinta forza: se esistesse una forza aggiuntiva che agisce sulla materia oscura o sulla materia ordinaria in modo diverso, le orbite stellari mostrerebbero discrepanze sistematiche. Finora, nessuna deviazione è stata trovata, confermando la solidità della relatività generale anche dopo oltre un secolo dalla sua formulazione. Con l’avvento di telescopi più potenti come l’ELT, sarà possibile tracciare stelle ancora più deboli e più vicine a Sagittarius A*, misurando effetti ancora più sottili come la quadrupolo magnetico o lo spin del buco nero, aprendo la strada a una comprensione più profonda della natura dello spazio-tempo.

Il centro della Via Lattea, con il suo buco nero supermassiccio e le orbite stellari che danzano a velocità relativistiche, è diventato una pietra angolare dell’astrofisica moderna. Ogni nuova osservazione, ogni fotogramma del filmato del VLT, rafforza la nostra fiducia nella relatività generale e ci proietta verso domande ancora più audaci sulla natura dei campi gravitazionali estremi. Sagittarius A* continuerà a essere un laboratorio insostituibile, dove la luce e la gravità si confrontano con l’universo primordiale, in attesa che la prossima generazione di strumenti scriva il capitolo successivo.

 

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