Al centro della galassia della Via Lattea, a circa 26.000 anni luce di distanza, un gruppo di stelle circonda vicino al buco nero supermassiccio noto come Sagittario A *. Mentre queste poche dozzine di stelle, chiamate S-star, si avvicinano al buco nero - che è circa quattro milioni di volte più massiccio del sole - la sua immensa forza gravitazionale le fa avanzare più velocemente di 16 milioni di miglia all'ora. In effetti, l'attrazione gravitazionale del Sagittario A * è così intensa che deforma la luce di queste stelle quando si allontanano troppo, allungando le lunghezze d'onda verso la parte rossa dello spettro elettromagnetico.
Una stella in particolare, S0-2, si avvicina così tanto al Sagittario A * che gli astronomi l'hanno trovato uno dei migliori laboratori naturali per testare i limiti della nostra fondamentale teoria della gravità: la relatività generale di Einstein.
Per più di due decenni, gli astrofisici hanno seguito i movimenti di S0-2 per comprendere meglio il funzionamento della gravità e mettere alla prova la teoria di Einstein. Immaginando la posizione della stella e misurando lo spettro della sua luce, i ricercatori sperano di determinare se l'orbita di S0-2 attorno al buco nero corrisponda al percorso previsto dalla relatività generale. In uno studio pubblicato oggi su Science, un team internazionale di astronomi riferisce che il comportamento della stella concorda con la teoria della gravità di Einstein, confermando che la relatività generale è ancora valida nella regione che circonda un buco nero supermassiccio, almeno per ora.
"Volete testare la teoria nel modo più estremo possibile ... per spingere essenzialmente la teoria più forte di quanto avremmo potuto prevedere", afferma Tuan Do, ricercatore dell'UCLA specializzato nel centro galattico e autore principale dello studio .
Immagine delle orbite delle stelle attorno al buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. Evidenziata è l'orbita della stella S0-2. Questa è la prima stella che ha abbastanza misurazioni per testare la Relatività Generale di Einstein attorno a un buco nero supermassiccio. (Keck / UCLA Galactic Center Group) La teoria generale della relatività di Einstein descrive le tre dimensioni dello spazio e l'unica dimensione del tempo come intrinsecamente legate in un "tessuto" di spaziotempo. Oggetti massicci, come stelle e buchi neri, deformano questo tessuto per allungare le distanze e rallentare il tempo, tirando gli oggetti circostanti verso di loro. Percepiamo questo effetto come gravità: una mela che cade da un albero. Ma la luce è anche influenzata dalle forze gravitazionali, che si piegano mentre si muove attraverso lo spaziotempo deformato attorno a un oggetto massiccio.
Secondo la relatività generale, i buchi neri supermassicci come il Sagittario A * creano una grande curva nello spazio-tempo, producendo un campo gravitazionale estremamente forte. Quando una stella si avvicina a un tale buco nero, i fotoni della luce emessa vengono tirati nel campo e la luce che fugge e arriva sulla Terra deve uscire dal pozzo gravitazionale del buco nero. Il risultato è che la luce osservata ha un'energia più bassa, una frequenza più bassa e una lunghezza d'onda più lunga, che produce uno spettro più rosso. Gli scienziati confrontano le previsioni della relatività generale di questo effetto, chiamato spostamento verso il basso gravitazionale, con le lunghezze d'onda misurate della luce in arrivo da stelle come S0-2 per verificare se la teoria è vera.
Numerosi fattori diversi dalla gravità possono influenzare lo spostamento verso il rosso, tuttavia, incluso se un oggetto si sta allontanando o verso l'osservatore. "Il nocciolo della domanda è, fondamentalmente, puoi misurare tutti questi altri effetti abbastanza bene da poter dire con sicurezza che quello che stai vedendo è uno spostamento verso il basso gravitazionale, e non solo in qualche altro modo puoi sostanzialmente regolare l'orbita dell'orbita stella ", dice Do.
S0-2 orbita Sagittario A * ogni 16 anni. Nel maggio 2018, ha raggiunto il punto più vicino al buco nero, arrivando a 120 unità astronomiche (poco più di 11 miliardi di miglia) e viaggiando a poco meno del tre percento della velocità della luce (circa 18 milioni di miglia all'ora). In questo momento, l'effetto spostamento verso il rosso è particolarmente notevole poiché l'attrazione gravitazionale del Sagittario A * diventa più forte quando la stella si avvicina. A marzo e settembre dello stesso anno, la stella ha anche raggiunto i suoi punti di velocità radiale massima e minima, rispettivamente, il che significa che si stava muovendo più velocemente e più lentamente rispetto a un osservatore sulla Terra. I segnali redshift di questi tre eventi sono cruciali per mappare la forma dell'orbita della stella dove gli effetti della gravità sono i più estremi.
"Il segnale redshift è più forte nel punto di approccio più vicino perché è più vicino al buco nero, ma non è lì che è il più facile da misurare perché ciò a cui siamo veramente sensibili ... sono i cambiamenti nella velocità relativa, quindi vuoi catturarlo sul lato ascendente e discendente di questo segnale ", dice Do.
Mentre la stella S0-2 si avvicina al buco nero al centro della nostra galassia, la sua luce viene estesa nelle parti più rosse dello spettro elettromagnetico, un fenomeno predetto dalla teoria della relatività generale di Einstein. (Nicole R. Fuller / National Science Foundation) I buchi neri supermassicci sono campi da gioco enigmatici per testare la fisica perché non si adattano perfettamente alle teorie dominanti di oggi. "I buchi neri sono entrambi molto massicci ed estremamente compatti, quindi è un po 'il luogo in cui la relatività generale e la meccanica quantistica si scontrano", afferma Do. Mentre la meccanica quantistica descrive le particelle più piccole nel nostro universo - un regno in cui la gravità può di solito essere ignorata - la relatività generale si occupa di oggetti enormi che hanno immensi campi gravitazionali. Alcuni fisici si aspettano che queste due teorie giungano al centro di un buco nero, dove si pensa che un'immensa massa sia contenuta in un volume infinitamente piccolo, un punto noto come singolarità gravitazionale.
“Quasi tutti i tentativi di comprendere la gravità a livello quantico e di comprendere come si adatta ad altre forze della natura, sembrano suggerire che la relatività generale è incompleta e deve rompersi o deviare in qualche modo, e dove la gravità è forte ", Afferma Clifford Johnson, un fisico teorico dell'Università della California del sud che non era coinvolto nello studio, in un'e-mail. "Il quartiere dei buchi neri, sia grandi che piccoli, sta diventando sempre più un'arena osservativa per una forte gravità ... dove abbiamo la possibilità di vedere dove si rompe la relatività generale, [e] se lo fa, forse rivelando la fisica del nostro universo, e più sulla natura dello spazio e del tempo ".
Il team di ricerca ha utilizzato una combinazione di imaging telescopio e spettroscopia per mappare l'orbita di S0-2. Poiché l'atmosfera intorno alla Terra è sempre in movimento, offuscando la nostra visione del cielo, si sono basati sull'ottica adattiva e su una tecnica chiamata imaging a chiazze per catturare un'immagine nitida: essenzialmente, hanno utilizzato uno specchio flessibile, deformato migliaia di volte al secondo dagli attuatori, e scattò istantanee del cielo per correggere la sfocatura atmosferica.
“L'atmosfera terrestre è fantastica per gli umani, ma cattiva per l'astronomia. ... È come guardare un ciottolo sotto un fiume e stai cercando di misurare la posizione del ciottolo. "Dice. "Fondamentalmente stiamo cercando di rimuovere il luccichio delle stelle."
I laser dei due telescopi di Keck si propagarono nella direzione del centro galattico. Ogni laser crea una stella artificiale che può essere utilizzata per correggere la sfocatura dovuta all'atmosfera terrestre. (Ethan Tweedie) I ricercatori hanno tracciato un'orbita per S0-2 e l'hanno confrontata con le previsioni del modello di relatività generale e del più semplice modello di fisica newtoniana. Il team ha scoperto che la stella si muoveva quasi 450 mila miglia all'ora più velocemente di quanto prevedesse la gravità newtoniana e che il modello di relatività generale aveva 43 mila volte più probabilità di spiegare le loro osservazioni.
"La teoria della relatività generale di Einstein si dimostra ancora una volta corretta, con l'accuratezza delle misurazioni", afferma Nikodem Poplawski, matematico e fisico dell'Università di New Haven che non è stato coinvolto nel nuovo studio. Sottolinea inoltre che i risultati supportano l'esistenza di buchi neri come descritto dalla relatività generale. "Oltre a ciò che è stato osservato ad aprile con la prima foto di un buco nero, ora abbiamo più prove che ciò che è all'interno della nostra Via Lattea è un buco nero supermassiccio."
Un lavoro simile riportato lo scorso anno ha anche affermato che l'orbita di S0-2 seguiva le previsioni della relatività generale. Tuttavia, questi nuovi risultati aggiungono ulteriori prove da ulteriori tre mesi di dati presi quando la stella era più vicina al Sagittario A * e il segnale di spostamento verso il rosso era il più forte, incluso il terzo evento orbitale cruciale nel settembre dello scorso anno.
"La possibilità che tu possa misurare la relatività generale nel centro galattico esiste da un decennio", afferma Do. "Dire che finalmente possiamo farcela, questo per me segna l'inizio di un'era di prove ancora più gravitazionali attorno al centro della galassia e apre molte strade per più scienza intorno al buco nero supermassiccio." Andando avanti, il team di ricerca continuerà a seguire i movimenti delle S-star, approfondendo i misteri dei buchi neri e la fisica che governa il nostro universo.
