Nota del redattore, 23 settembre 2008: la rivista Smithsonian ha profilato l'astrofisico Andrea Ghez nell'aprile del 2008. Oggi Ghez è stata uno dei 28 destinatari di una prestigiosa borsa di studio del genio MacArthur, riconoscendo il suo contributo allo studio dei buchi neri nell'evoluzione delle galassie.
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I ricercatori guidati da Andrea Ghez, un astrofisico dell'UCLA, hanno usato le immagini del telescopio scattate dal 1995 al 2006 per creare questa animazione che mostra il movimento di stelle selezionate al centro della Via Lattea. Le orbite di queste stelle e i calcoli effettuati usando le leggi di Keplers sul moto planetario, forniscono la migliore prova ancora per l'esistenza di un buco nero al centro della Via Lattea. Di particolare nota sono la stella S0-2, che orbita attorno al buco nero una volta ogni 15, 56 anni, e la stella S0-16, che rientra in 90 unità astronomiche (la distanza dalla terra al sole) del buco nero
Video: mosse della Via Lattea
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Tra circa quattro miliardi di anni, le galassie della Via Lattea e di Andromeda si romperanno insiemeVisualizzazione: NASA, ESA e F. Summers, credito di simulazione STScI: NASA, ESA, G. Besla, Columbia University e R. van der Marel, STScI
Video: cosa succede quando le galassie si scontrano?
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- Fori neri interni
Dalla vetta del Mauna Kea, a circa 14.000 piedi sopra l'Oceano Pacifico, la Via Lattea si inclina brillantemente attraverso il cielo notturno, una visione a margine della nostra galassia. Parti del grande disco sono oscurate dalla polvere e al di là di una di quelle macchie polverose, vicino alla teiera della costellazione del Sagittario, si trova il centro della Via Lattea. Nascosto c'è una struttura profondamente misteriosa attorno alla quale ruotano più di 200 miliardi di stelle.
Dietro di me, in cima alle rocce scoscese di questo vulcano inattivo sull'isola delle Hawaii, si trovano le cupole gemelle dell'Osservatorio Keck di WM. Ogni cupola ospita un telescopio con uno specchio gigante largo quasi 33 piedi e, come un occhio di mosca, fatto di segmenti ad incastro. Gli specchi sono tra i più grandi al mondo per raccogliere la luce delle stelle e uno dei telescopi è stato dotato di un nuovo straordinario strumento che aumenta notevolmente la sua potenza. Guardo il più vicino dei graziosi bracci a spirale della Via Lattea mentre aspetto che i tecnici azionino l'interruttore.
Quindi, all'improvviso e con il lieve clic di un otturatore che si apre, un raggio laser arancione-dorato spara nel cielo dalla cupola aperta. Il raggio di luce, largo 18 pollici, sembra finire all'interno di uno dei punti più neri della Via Lattea. In realtà finisce 55 miglia sopra la superficie della Terra. Il segnale che emette lì consente al telescopio di compensare la sfocatura dell'atmosfera terrestre. Invece di immagini nervose imbrattate dai fiumi d'aria che si spostano costantemente sulle nostre teste, il telescopio produce immagini chiare come quelle ottenute dai satelliti nello spazio. Keck fu uno dei primi osservatori ad essere dotato di una guida laser; ora una mezza dozzina di altri stanno iniziando a usarli. La tecnologia offre agli astronomi una visione nitida del nucleo della galassia, dove le stelle sono strette come uno sciame estivo di moscerini e turbinano intorno al luogo più buio di tutti: un gigantesco buco nero.
Il buco nero della Via Lattea è senza dubbio la cosa più strana della nostra galassia: una cavità tridimensionale nello spazio dieci volte la dimensione fisica del nostro sole e quattro milioni di volte la massa, una fossa virtuale senza fondo da cui nulla sfugge. Si ritiene che ogni grande galassia abbia al centro un buco nero. E per la prima volta, gli scienziati saranno in grado di studiare il caos che provocano queste entità da capogiro. Durante questo decennio, gli astronomi di Keck seguiranno migliaia di stelle catturate nella gravità del buco nero della Via Lattea. Proveranno a capire come nascono le stelle nelle sue vicinanze e come distorce il tessuto dello spazio stesso. "Trovo stupefacente vedere stelle che si agitano attorno al buco nero della nostra galassia", afferma Taft Armandroff, direttore dell'Osservatorio di Keck. "Se mi avessi detto come studente universitario che l'avrei visto durante la mia carriera, avrei detto che era fantascienza."
A dire il vero, l'evidenza per i buchi neri è del tutto indiretta; gli astronomi non ne hanno mai visto uno. La teoria generale della relatività di Albert Einstein prevedeva che la gravità di un corpo estremamente denso potesse piegare un raggio di luce così gravemente da non poter sfuggire. Ad esempio, se qualcosa con la massa del nostro sole fosse ridotto in una palla di un miglio e mezzo di diametro, sarebbe abbastanza denso da intrappolare la luce. (Affinché la Terra diventi un buco nero, la sua massa dovrebbe essere compressa alla dimensione di un pisello.)
Nel 1939, J. Robert Oppenheimer, l'uomo accreditato per lo sviluppo della bomba atomica, calcolò che una compressione così drastica poteva accadere alle stelle più grandi dopo che avevano finito l'idrogeno e altri combustibili. Una volta che le stelle esplodevano, Oppenheimer e un collega postulavano, il gas rimanente collassava a causa della sua stessa gravità in un punto infinitamente denso. Le osservazioni del telescopio negli anni '60 e '70 confermarono la teoria. Alcuni ricercatori hanno suggerito che l'unica possibile fonte di energia per qualcosa di così luminoso come i quasar - fari estremamente luminosi a miliardi di anni luce di distanza - sarebbe una concentrazione di milioni di soli riuniti da ciò che gli scienziati in seguito hanno soprannominato un buco nero supermassiccio. Gli astronomi hanno poi trovato stelle che sembravano frustare attorno a entità invisibili nella nostra Via Lattea, e hanno concluso che solo l'attrazione della gravità da piccoli buchi neri - contenente più volte la massa del nostro sole e noti come buchi di massa stellare - poteva mantenere le stelle in orbite così strette.
Il telescopio spaziale Hubble ha aggiunto alle prove dei buchi neri negli anni '90 misurando la velocità con cui ruotano le parti più interne delle altre galassie, fino a 1, 1 milioni di miglia orarie nelle grandi galassie. Le velocità sorprendenti indicavano nuclei che contenevano fino a un miliardo di volte la massa del Sole. La scoperta che i buchi neri supermassicci sono al centro della maggior parte, se non di tutte, le galassie è stata una delle più grandi conquiste di Hubble. "All'inizio del sondaggio di Hubble, avrei detto che i buchi neri sono rari, forse una galassia su 10 o 100, e che qualcosa è andato storto nella storia di quella galassia", afferma lo scienziato di Hubble Douglas Richstone dell'Università del Michigan. "Ora abbiamo dimostrato che sono di serie. È la cosa più straordinaria."
Anche da Hubble, tuttavia, il nucleo della Via Lattea è rimasto inafferrabile. Se la nostra galassia ospitava un buco nero supermassiccio, era silenziosa, priva delle eruzioni di energia viste dagli altri. Hubble, che è stato revisionato e aggiornato per l'ultima volta nel 2009, può tracciare gruppi di stelle vicino ai centri di galassie distanti, ma a causa del suo angolo di visione ristretto e delle spesse nuvole di polvere della nostra galassia, non può sopportare lo stesso tipo di immagini nella nostra galassia. Un altro approccio sarebbe quello di rintracciare le singole stelle nelle vicinanze del buco nero usando la luce infrarossa, che viaggia attraverso la polvere, ma le stelle erano troppo deboli e troppo affollate per la maggior parte dei telescopi terrestri per risolvere. Tuttavia, alcuni astronomi negli anni '90 si sono avventurati sul fatto che potrebbero essere possibili osservazioni sul nucleo della Via Lattea. Potrebbero quindi essere affrontate una serie di domande allettanti: come vivono e muoiono le stelle in quell'ambiente selvaggio? Cosa consuma un buco nero? E possiamo assistere, nel cuore della Via Lattea, allo spazio e al tempo deformati previsti da Einstein quasi un secolo fa?
La sala di controllo di Keck si trova a 20 miglia dal telescopio, nella città ranch di Waimea. Per i ricercatori lì, lo spettacolare laser è visibile solo come un raggio debole sul monitor di un computer. Gli astronomi controllano i loro quaderni e guardano schermi pieni di dati dal telescopio, letture meteorologiche e le ultime foto delle stelle che stanno prendendo di mira. Usano un collegamento video per parlare con l'operatore del telescopio, che passerà tutta la notte al vertice. Le cose stanno andando così bene che non c'è molto da fare. Il telescopio rimarrà bloccato nello stesso punto nel cielo per quattro ore; il laser funziona benissimo e una videocamera fissata al telescopio fa un'esposizione di 15 minuti dopo l'altra in una sequenza automatizzata. "Questo è solo il tipo più noioso di osservazione che ci sia", mi dice in tono di scusa l'astronomo dell'Università della California a Los Angeles Mark Morris.
Anche così, c'è tensione nella stanza. Questa squadra di astronomi, guidata da Andrea Ghez dell'UCLA, è in competizione con gli astronomi dell'Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre di Garching, in Germania. Dall'inizio degli anni '90, l'astrofisico di Garching Reinhard Genzel e i suoi colleghi hanno studiato il buco nero al centro della Via Lattea usando il New Technology Telescope e il Very Large Telescope array in Cile. Ghez, 45 anni, spinge i suoi studenti a ottenere il massimo da ogni sessione di osservazione a Keck. Sei anni fa è stata eletta alla National Academy of Sciences, un vero onore per qualcuno che ha ancora trent'anni. "È facile essere all'avanguardia nell'astronomia se si ha accesso ai migliori telescopi del mondo", afferma.
Quasi un decennio fa le squadre americane e tedesche dedussero indipendentemente che solo un gigantesco buco nero potesse spiegare i comportamenti delle stelle nel cuore della Via Lattea. Le stelle che circondano una massa massiccia - che sia un buco nero o una grande stella - viaggiano nello spazio molto più velocemente di quelle che circondano una massa più piccola. In termini visivi, la massa maggiore crea un imbuto più profondo nel tessuto dello spazio attorno al quale ruotano le stelle; come le foglie che volteggiano in un vortice, più profondo è il vortice, più velocemente ruotano le foglie. Altri astronomi avevano visto stelle in movimento e nuvole di gas vicino al centro della Via Lattea, quindi sia Ghez che Genzel sospettavano che un denso ammasso di materia fosse nascosto alla vista.
Compilando minuziosamente le fotografie a infrarossi scattate a distanza di mesi e anni, le due squadre hanno seguito le stelle più interne, quelle entro un mese luce dal centro della galassia. Combinate, le immagini sono come film time-lapse dei movimenti delle stelle. "All'inizio, era chiaro che c'erano solo alcune stelle che stavano trasportando", ricorda Ghez. "Chiaramente, erano estremamente vicini al centro." Qualcosa li stava intrappolando in un vortice profondo. Un buco nero aveva più senso.
Il copertoncino è arrivato nel 2002, quando entrambe le squadre hanno affinato le loro immagini usando l'ottica adattiva, tecnologia che compensa la sfocatura dell'atmosfera. Gli scienziati hanno seguito le stelle che orbitano pericolosamente vicino al centro della galassia e hanno scoperto che la velocità massima della stella più veloce era il 3 percento della velocità della luce, circa 20 milioni di miglia all'ora. È una velocità sorprendente per un globo di gas molto più grande del nostro sole, e ha convinto anche gli scettici che un buco nero supermassiccio ne era responsabile.
La sfocatura dell'atmosfera terrestre ha tormentato gli utenti del telescopio dai primi studi di Giove su Saturno e Saturno di 400 anni fa. Guardare una stella attraverso l'aria è come guardare un penny sul fondo di una piscina. Le correnti d'aria fanno oscillare la luce delle stelle avanti e indietro.
Il buco nero della nostra galassia emette raggi X (resi visibili qui in un'immagine dal telescopio satellitare Chandra) mentre la materia vortica verso di esso. (Marshall Space Flight Center / NASA) Negli anni '90, gli ingegneri hanno imparato a cancellare le distorsioni con una tecnologia chiamata ottica adattiva; i computer analizzano il modello di jitter della luce stellare in arrivo su un millisecondo per millisecondo e usano questi calcoli per guidare una serie di pistoni sul retro di uno specchio sottile e flessibile. I pistoni flettono lo specchio centinaia di volte al secondo, regolando la superficie per contrastare le distorsioni e formare un forte punto centrale.
La tecnologia aveva un limite importante. I computer avevano bisogno di una luce guida chiara come una sorta di punto di riferimento. Il sistema funzionava solo se il telescopio era puntato vicino a una stella o un pianeta luminosi, limitando gli astronomi a solo l'1 percento del cielo.
Creando una stella guida artificiale ovunque sia necessaria, il laser dell'Osservatorio Keck rimuove tale limitazione. Il raggio laser è sintonizzato su una frequenza che illumina gli atomi di sodio, che vengono lasciati disintegrando i meteoriti in uno strato dell'atmosfera. I computer di Keck analizzano la distorsione nella colonna d'aria tra lo specchio del telescopio e la stella creata dal laser.
All'interno della cupola alta 101 piedi del telescopio, il sistema laser si trova all'interno di un involucro di dimensioni bus. Il laser inizia con una scossa di 50.000 watt di potenza, amplificando il raggio di luce all'interno di una soluzione colorante a base di etanolo resistente a 190. Ma quando la luce viene regolata sul suo colore corretto e la sua energia viene incanalata lungo un singolo percorso, la sua potenza diminuisce a circa 15 watt - ancora abbastanza luminosa da consentire all'amministrazione federale dell'aviazione di spegnere il laser se un aereo è dovrebbe volare vicino al suo percorso. Da diverse centinaia di metri il laser sembra un raggio di matita ambra fioco. Da un po 'più lontano non è affatto visibile. Per quanto riguarda il resto dell'isola, non vi è alcun laser show a Mauna Kea.
Identificare un buco nero è una cosa; descriverlo è un altro. "È difficile dipingere un'immagine che riguardi il mondo come lo comprendiamo, senza usare la complessità matematica", dice Ghez un pomeriggio al centro di controllo di Keck. Il giorno dopo, chiede a suo figlio di 6 anni se sa cos'è un buco nero. La sua rapida risposta: "Non lo so, mamma. Non dovresti?"
Mark Morris pensa che "dolina" sia una metafora adatta per un buco nero. Se tu fossi nello spazio vicino al buco nero ", dice, " vedresti le cose sparire in esso da tutte le direzioni ".
A Ghez e Morris piace immaginare di guardare fuori da un buco nero. "Questo è il fiorente centro della galassia, rispetto ai sobborghi in cui ci troviamo", afferma Ghez. "Le stelle si muovono a una velocità incredibile. Vedresti che le cose cambiano su una scala temporale di decine di minuti." Morris affronta questo tema. "Se guardi il cielo notturno da una bellissima cima di montagna, toglie il respiro quante stelle ci sono", dice. "Ora, moltiplicalo per un milione. Ecco come sarebbe il cielo al centro galattico. Sarebbe come un cielo pieno di Giove e alcune stelle luminose come la luna piena."
In un ambiente così magnifico, le leggi della fisica sono meravigliosamente distorte. Ghez e Morris sperano di raccogliere le prime prove che le stelle viaggiano davvero lungo gli strani percorsi orbitali previsti dalla teoria della relatività di Einstein. In tal caso, ogni stella traccerebbe qualcosa di simile a un modello da un giocattolo di disegno Spirograph: una serie di anelli che si spostano gradualmente in posizione rispetto al buco nero. Ghez pensa che lei e i suoi colleghi siano lontani diversi anni dall'individuare quel turno.
Con ogni nuova scoperta, il nucleo della Via Lattea diventa più sconcertante e affascinante. Sia le squadre di Ghez che quelle di Genzel furono sorprese nello scoprire molte giovani stelle nel quartiere del buco nero. Ce ne sono decine, tutte tra i cinque ei dieci milioni di anni - neonati, in termini cosmici - e sono circa dieci volte più grandi del nostro sole. Nessuno è del tutto sicuro di come si siano avvicinati così tanto al buco nero o come siano diventati. Altrove nella galassia, le stelle gestanti richiedono un grembo freddo e calmo all'interno di una grande nuvola di polvere e gas. Il nucleo galattico è tutt'altro che calmo: intense radiazioni inondano l'area e la gravità del buco nero dovrebbe distruggere i vivai gassosi prima che qualcosa vi incubi. Come Reinhard Genzel ha messo in una conferenza diversi anni fa, quelle giovani star "non hanno alcun diritto a essere lì". È possibile che alcuni di loro siano nati più lontano e siano emigrati verso l'interno, ma la maggior parte dei teorici pensa di essere troppo giovane per quello scenario. Morris pensa che l'intensa gravità comprime il gas a spirale in un disco attorno al buco nero, creando i nuovi soli in un tipo di nascita stellare che non si vede in nessun altro ambiente galattico.
Queste giovani stelle si autodistruggeranno tra qualche milione di anni. E quando lo faranno, i più grandi lasceranno dietro piccoli buchi neri. Morris teorizza che centinaia di migliaia di questi buchi neri di massa stellare, accumulati da generazioni passate di stelle, sciamano attorno al buco nero centrale e supermassiccio. I buchi neri di massa stellare sono larghi solo circa 20 miglia, quindi le collisioni tra loro sarebbero rare. Invece, Morris dice: "Avrai buchi neri che si muovono l'uno accanto all'altro nella notte e le stelle si muovono attraverso questo derby di distruzione. Una mancata vicinanza tra uno dei buchi neri e una stella potrebbe disperdere la stella nel buco nero supermassiccio o completamente fuori dal centro galattico ". I teorici pensano che il buco nero supermassiccio possa inghiottire una stella ogni decine di migliaia di anni, un evento che avrebbe inondato di radiazioni il centro della galassia. "Sarebbe un evento spettacolare", afferma Morris.
Gli astronomi vedono segni di tale ingestione quando esaminano l'interno della Via Lattea con raggi X e radiotelescopi, che rilevano le onde d'urto delle esplosioni passate. I buchi neri giganti in altre galassie sono troppo lontani perché gli astronomi possano studiare in modo così approfondito, afferma Avi Loeb, direttore dell'Istituto di teoria e calcolo presso il Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian a Cambridge, nel Massachusetts. Ecco perché dipende da ogni annuncio delle squadre di Ghez e Genzel. "I progressi compiuti dagli osservatori in così poco tempo sono stati davvero notevoli", afferma. "Noi teorici siamo tutti cheerleader per loro."
Loeb e altri stanno dipingendo una nuova immagine di come l'universo e i suoi 100 miliardi di galassie si sono evoluti dal Big Bang 13, 7 miliardi di anni fa. Credono che tutte le galassie siano iniziate con buchi neri "seminativi" ancora inspiegabili - decine di migliaia di volte la massa del nostro sole - che sono cresciuti esponenzialmente durante i cicli di alimentazione violenta quando le galassie si sono scontrate, cosa che hanno fatto più frequentemente quando l'universo era più giovane e le galassie erano più vicine tra loro. In una collisione, alcune stelle si catapultano nello spazio profondo e altre stelle e gas precipitano nel buco nero appena combinato al centro delle galassie. Man mano che il buco nero cresce, dice Loeb, si trasforma in un quasar in tempesta con gas riscaldato a miliardi di gradi. Il quasar quindi espelle il resto del gas fuori dalla galassia. Dopo che il gas si è esaurito, dice Loeb, "il buco nero supermassiccio si trova al centro della galassia, dormiente e affamato".
Sembra che la nostra Via Lattea, con il suo buco nero di dimensioni modeste, abbia assorbito solo alcune galassie più piccole e non abbia mai alimentato un quasar. Tuttavia, una terribile collisione incombe. La grande galassia più vicina, chiamata Andromeda, è in rotta di collisione con la Via Lattea. I due inizieranno a fondersi tra circa due miliardi di anni da ora, formando gradualmente una massiccia galassia che Loeb e il suo ex collega Harvard-Smithsonian TJ Cox chiamano "Milkomeda". I supermassicci buchi neri centrali delle galassie si scontreranno, divorando torrenti di gas e accendendo un nuovo quasar per un breve periodo in questa parte calma dell'universo. "Siamo in ritardo fioristi in tal senso", osserva Loeb. "È successo alla maggior parte delle altre galassie all'inizio." (La Terra non verrà espulsa dall'orbita del Sole dalla collisione e non dovrebbe essere colpita da nulla durante la fusione. Ma ci saranno molte più stelle nel cielo.)
A parte il fastidioso futuro della nostra galassia, Loeb spera che presto - forse entro un decennio - avremo la prima immagine del buco nero supermassiccio della Via Lattea, grazie a una rete globale emergente di telescopi a "onde millimetriche". Chiamati per la lunghezza d'onda delle onde radio che rilevano, gli strumenti non vedranno effettivamente il buco nero stesso. Piuttosto, in concerto mapperanno l'ombra che proietta su una cortina di gas caldo dietro di essa. Se tutto va bene, l'ombra avrà una forma distintiva. Alcuni teorici si aspettano che il buco nero stia ruotando. In tal caso, secondo il trascinamento controintuitivo dello spazio previsto da Einstein, la nostra visione dell'ombra sarà distorta in qualcosa di simile a una lacrima sbilenco e schiacciata. "Sarebbe la foto più straordinaria che potremmo avere", afferma Loeb.
Nella quarta e ultima notte delle osservazioni programmate di Ghez, vento e nebbia al vertice di Mauna Kea tengono chiuse le cupole del telescopio. Quindi gli astronomi rivedono i loro dati delle notti precedenti. Le immagini delle prime due notti andavano da buone a eccellenti, dice Ghez; la terza notte è stata "rispettabile". Dice di essere contenta: i suoi studenti hanno abbastanza per tenerli occupati, e Tuan Do dell'Università della California a Irvine ha identificato alcune grandi giovani stelle da aggiungere all'analisi del team. "Mi sento incredibilmente privilegiato a lavorare in qualcosa in cui mi diverto così tanto", afferma Ghez. "È difficile credere che i buchi neri esistano davvero, perché è uno stato così esotico dell'universo. Siamo stati in grado di dimostrarlo e lo trovo davvero profondo."
Trascorre la maggior parte del tempo a supervisionare il centro di comando di Waimea, ma è stata in cima a Mauna Kea per vedere il laser in azione. Mentre parliamo della vista ipnotizzante, è chiaro che Ghez apprezza l'ironia: gli astronomi adorano il buio e spesso si lamentano di qualsiasi fonte di luce che potrebbe interferire con le loro osservazioni. Eppure eccoli qui, che gettano un faro di luce nei cieli per aiutare a illuminare la cosa più nera che l'umanità possa mai sperare di vedere.
Questa storia di Robert Irion ha vinto il David N. Schramm Award 2010 dell'American Astronomical Society per il giornalismo scientifico.
