Nel 1915, Albert Einstein pubblicò la sua famosa teoria della relatività generale, che fornì una descrizione unificata della gravità come proprietà geometrica dello spazio e del tempo. Questa teoria ha dato origine alla moderna teoria della gravitazione e ha rivoluzionato la nostra comprensione della fisica. Anche se da allora è trascorso un secolo, gli scienziati stanno ancora conducendo esperimenti che confermano le previsioni della sua teoria.
Grazie alle recenti osservazioni fatte da un team di astronomi internazionali (noto come collaborazione GRAVITY), gli effetti della Relatività Generale sono stati rivelati usando per la prima volta un Supermassive Black Hole (SMBH). Questi risultati sono stati il culmine di una campagna di 26 anni di osservazioni dell'SMBH al centro della Via Lattea (Sagittario A *) utilizzando gli strumenti dell'Osservatorio europeo meridionale (ESO).
Lo studio che descrive i risultati del team è apparso di recente sul diario Astronomia e astrofisica, intitolato "Rilevamento del redshift gravitazionale nell'orbita della stella S2 vicino al buco nero massiccio del centro galattico". Lo studio è stato condotto da Roberto Arbuto dell'ESO e ha incluso membri della collaborazione GRAVITY - guidata da Reinhard Genzel del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) e comprende astronomi provenienti da diverse università e istituti di ricerca europei.
Per motivi di studio, il team ha fatto affidamento sui dati raccolti dagli strumenti estremamente sensibili e di alta precisione del VLT. Questi includevano lo strumento astrometrico e interferometrico GRAVITY, lo spettrografo per osservazioni di campo integrato nello strumento Near Infrared (SINFONI) e lo strumento Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA), che sono noti come NACO.
Le nuove osservazioni a infrarossi raccolte da questi strumenti hanno permesso al team di monitorare una delle stelle (S2) che orbita attorno al Sagittario A * mentre passava davanti al buco nero - che ha avuto luogo nel maggio del 2018. Nel punto più vicino nella sua orbita , la stella si trovava a una distanza di meno di 20 miliardi di km (12,4 miliardi di mi) dal buco nero e si muoveva a una velocità superiore a 25 milioni di km / h (15 milioni di mph) - quasi il tre percento della velocità della luce .
Mentre lo strumento SINFONI è stato utilizzato per misurare la velocità di S2 verso e lontano dalla Terra, lo strumento GRAVITY nell'interferometro VLT (VLTI) ha effettuato misurazioni straordinariamente precise della posizione mutevole di S2 al fine di definire la forma della sua orbita. Lo strumento GRAVITY ha quindi creato le immagini nitide che hanno rivelato il movimento della stella mentre passava vicino al buco nero.
Il team ha quindi confrontato le misurazioni di posizione e velocità con le precedenti osservazioni di S2 utilizzando altri strumenti. Hanno quindi confrontato questi risultati con le previsioni fatte dalla Legge di gravitazione universale, della relatività generale di Newton e da altre teorie della gravità. Come previsto, i nuovi risultati erano coerenti con le previsioni fatte da Einstein oltre un secolo fa.
Come Reinhard Genzel, che oltre ad essere il capo della collaborazione di GRAVITY è stato coautore del documento, ha spiegato in un recente comunicato stampa 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, grazie alla strumentazione molto migliorata, siamo stati in grado di osservare la stella con una risoluzione senza precedenti. Ci stiamo preparando intensamente per questo evento da diversi anni, poiché volevamo sfruttare al massimo questa opportunità unica per osservare gli effetti relativistici generali. "
Quando osservato con i nuovi strumenti del VLT, il team ha notato un effetto chiamato spostamento verso il basso gravitazionale, in cui la luce proveniente da S2 ha cambiato colore mentre si avvicinava al buco nero. Ciò è stato causato dal fortissimo campo gravitazionale del buco nero, che ha allungato la lunghezza d'onda della luce della stella, facendolo spostare verso l'estremità rossa dello spettro.
Il cambiamento nella lunghezza d'onda della luce da S2 concorda esattamente con quanto previsto dall'equazione di campo di Einstein. Come Frank Eisenhauer - un ricercatore dell'Istituto Max Planck di fisica extraterrestre, il principale investigatore di GRAVITY e lo spettrografo SINFONI, e un coautore dello studio - hanno indicato:
“Le nostre prime osservazioni di S2 con GRAVITY, circa due anni fa, hanno già dimostrato che avremmo il laboratorio ideale per il buco nero. 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.”
Mentre sono stati eseguiti altri test che hanno confermato le previsioni di Einstein, questa è la prima volta che gli effetti della relatività generale sono stati osservati nel movimento di una stella attorno a un buco nero supermassiccio. A questo proposito, Einstein è stato dimostrato ancora una volta, usando uno dei laboratori più estremi fino ad oggi! Inoltre, ha confermato che i test che comportano effetti relativistici possono fornire risultati coerenti nel tempo e nello spazio.
"Qui nel Sistema Solare possiamo testare le leggi della fisica solo ora e in determinate circostanze", ha affermato Françoise Delplancke, capo del Dipartimento di Ingegneria del Sistema presso l'ESO. "Quindi è molto importante in astronomia verificare anche che quelle leggi siano ancora valide laddove i campi gravitazionali sono molto più forti."
Nel prossimo futuro, un altro test relativistico sarà possibile quando S2 si allontanerà dal buco nero. Questa è nota come una precessione di Schwarzschild, in cui si prevede che la stella subisca una piccola rotazione nella sua orbita. La collaborazione GRAVITY monitorerà S2 per osservare anche questo effetto, basandosi ancora una volta sugli strumenti molto precisi e sensibili del VLT.
Come indicato da Xavier Barcons (il direttore generale dell'ESO), questo risultato è stato reso possibile grazie allo spirito di cooperazione internazionale rappresentato dalla collaborazione GRAVITY e agli strumenti che hanno aiutato l'ESO a sviluppare:
“L'ESO ha lavorato con Reinhard Genzel e il suo team e 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 dispiegarle presso il VLT in Paranal. La scoperta annunciata oggi è il risultato molto eccitante di una straordinaria collaborazione. "
E assicurati di guardare questo video del test di successo della collaborazione GRAVITY, per gentile concessione dell'ESO:
