La relatività generale supera un’altra prova
Nuovo test superato per Einstein: il redshift – cioè lo spostamento verso il rosso – gravitazionale della luce di una stella che orbita intorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea è quello previsto dalla sua teoria
Cento anni e gode ancora di ottima salute. La teoria generale della relatività di Einstein, pubblicata nel 1916, è stata verificata sperimentalmente con grande successo nel corso dei decenni, e non accenna a vacillare.
L’ultimo risultato in ordine di tempo, pubblicato sulla rivista “Science” da Tuan Do, dell’Università della California a Los Angels (UCLA) e colleghi di un’ampia collaborazione internazionale, l’ha messa a dura prova grazie all’osservazione di una stella che orbita intorno al buco nero supermassiccio che si trova al centro della Via Lattea. E’ lì infatti che si può osservare all’opera l’interazione fondamentale tra luce e forza gravitazionale, una delle previsioni più originali e inattese della teoria della relatività.
Nella sua formulazione generale, la teoria non è altro che una formulazione moderna di quella della gravitazionale universale. Essa prevede che le tre dimensioni spaziali e la dimensione temporale formino un continuo quadridimensionale, lo spazio-tempo, che viene deformato, o meglio curvato, dalle masse proporzionalmente alla loro entità. Questa curvatura, a sua volta, influenza i corpi dotati di massa, facendoli attrarre tra di loro.
Ma ha influenza anche sulla luce: un effetto peculiare è il redshift – cioè lo spostamento verso il rosso – gravitazionale. Questo è un allungamento della lunghezza d’onda della radiazione, che così appare spostata verso la parte rossa dello spettro, quando è emessa da una sorgente posta in un campo gravitazionale molto intenso e osservata da un punto in cui il campo è meno intenso. L’effetto si combina con un altro contributo all’effetto Doppler, dovuto al rapido movimento orbitale della stella.
L’effetto è particolarmente evidente nel caso della stella S0-2, che orbita, con un periodo di 16 anni circa, intorno al buco nero supermassiccio – dotato di una massa di circa quattro milioni di volte quella del Sole – che si trova al centro della nostra galassia.
Usando agli strumenti dell’Osservatorio Keck, nelle Hawaii, Do e colleghi hanno raccolto lo spettro della radiazione emessa da S0-2, mappando il suo moto orbitale in tre dimensioni e con una precisione senza precedenti e combinando i dati ottenuti con quelli raccolti negli ultimi 24 anni di osservazioni. Conclusione: il redshift presente nei dati spettrografici è compatibile con le previsioni della relatività generale.
Illustrazione della stella S0-2 in orbita intorno al buco nero (Nicole R. Fuller, National Science Foundation)
“Stiamo imparando come funziona la gravità: è una delle quattro forze fondamentali e quella che abbiamo testato meno”, ha commentato Andrea Ghez, professore di fisica e astronomia dell’UCLA e coautore dello studio. “Ci sono molte regioni in cui non ci siamo ancora chiesti: ‘Come funziona la gravità qui?’”.
I dati in realtà erano già disponibili l’anno scorso, ma gli autori hanno controllato con cura la loro analisi. “È facile essere troppo sicuri di sé e ci sono molti modi per interpretare erroneamente i dati, molti modi in cui piccoli errori possono accumularsi in errori significativi, motivo per cui non abbiamo affrettato la nostra analisi”, ha aggiunto Ghez. “I risultati hanno un profondo impatto sulla nostra comprensione dell’esistenza dei buchi neri supermassicci e dell’astrofisica dei buchi neri”. (red)
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Relatività, una conferma estrema
La teoria della relatività generale supera l’ennesimo test grazie all’orbita di una stella attorno al buco nero supermassiccio nel centro della Via Lattea. Lo studio ha richiesto strumenti all’avanguardia e oltre vent’anni di osservazioni
Astrofisica estrema. La chiama così Andrea Ghez, professoressa di fisica e astronomia alla University of California, Los Angeles (Ucla), la conferma diretta della relatività generale nei pressi del buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea ottenuta dal suo team. Nello studio in uscita domani su Science, la squadra di scienziati guidata da Ghez e Tuan Do (Ucla) riconferma la teoria di Einstein grazie alle osservazioni dell’orbita di una stella, S0-2, in orbita attorno al buco nero supermassiccio Sagittarius A*.
S0-2 completa un’orbita attorno a Sagittarius A* in 16 anni. Il lavoro di Ghez e colleghi integra oltre 20 anni di osservazioni – compiute dal 1995 al 2017 al Keck Observatory, alle Hawaii, utilizzando uno spettrografo costruito presso l’Ucla – con dati più recenti, raccolti lo scorso anno. Questi ultimi sono state acquisiti in coincidenza di momenti particolari dell’orbita della stella, ad esempio durante il passaggio alla distanza minima dal buco nero, a 120 unità astronomiche. In quel passaggio, la velocità della stella era il 2,7 per cento della velocità della luce.
Combinando posizione e spettri di S0-2, non solo si è potuta ricostruire la più precisa orbita tridimensionale ottenuta finora di una stella attorno a Sagittarius A*, ma si è anche confermato l’effetto della relatività generale su un corpo soggetto a un intenso campo gravitazionale.
Il redshift osservato nello spettro di S0-2, cioè lo spostamento della luce a lunghezze d’onda diverse rispetto a quelle emesse in origine dalla sorgente, è il risultato di due fattori: l’effetto doppler relativistico e il redshift gravitazionale. Il primo può spostare la luce verso il rosso (o verso il blu) a seconda di come la sorgente si muove rispetto all’osservatore, mentre il secondo causa un arrossamento della luce che si allontana da un corpo compatto, fonte di intenso campo gravitazionale. Lo studio di Ghez e colleghi, in particolare, mostra che lo spostamento verso il rosso della luce di S0-2 è consistente con quello previsto dalla relatività generale nei pressi di un buco nero di 4 milioni di masse solari – qual è, appunto, la massa stimata del buco nero al centro della Via Lattea.
Il redshift gravitazionale non ha certo bisogno di buchi neri da milioni di masse solari per far sentire il suo effetto: i Gps che siamo ormai abituati a usare quotidianamente devono correggere il calcolo della posizione tenendo conto della differente intensità del campo gravitazionale sulla Terra e in orbita, lì dove viaggiano i satelliti. Il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia è però un ottimo laboratorio naturale quando si vuole testare la relatività con campi gravitazionali ben più intensi di quelli del Sistema solare. Da qui l’espressione “astrofisica estrema”.
«La particolarità di S0-2 è che abbiamo la sua orbita completa in tre dimensioni», dice Ghez. «Questo ci dà il biglietto d’ingresso ai test della relatività generale. Ci siamo chiesti come si comporta la gravità vicino a un buco nero supermassiccio, e se la teoria di Einstein basta a fornire la visione completa. Vedere le stelle completare la propria orbita fornisce la prima opportunità di testare la fisica fondamentale usando i movimenti di queste stelle».
Questo è il primo di altri studi che il team di Ghez condurrà su stelle che orbitano attorno a Sagittarius A*. Tra i candidati interessanti c’è anche la stella S0-102, che fra quelle del campione è la più veloce a completare la sua orbita: appena 11 anni e mezzo. La difficoltà di eseguire questo tipo di osservazioni sta infatti nei tempi orbitali lunghissimi, che nella maggior parte dei casi superano di gran lunga la durata di una vita umana.
di: Eliana Lacorte
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