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La teoria della relatività generale di Einstein è per ora ancora valida

di Teresa Terracciano.

Roma, 26 Agosto 2019 – La teoria della relatività generale di Einstein del 1915 sostiene che quella che percepiamo come forza di gravità deriva dalla curvatura dello spazio e del tempo. Lo scienziato ha proposto che oggetti come il sole e la Terra cambiano questa geometria ed è, ad oggi, la migliore descrizione di come funziona la gravità.

Il team di astronomi dell’UCLA ha effettuato misurazioni dirette del fenomeno vicino a un buco nero supermassiccio – ricerca descritta come “astrofisica estrema”.

Andre Ghez, professore di fisica e astronomia dell’UCLA e il suo team di ricerca è uno dei due soli gruppi al mondo a studiare una stella conosciuta come S0-2 fare un’orbita completa in tre dimensioni intorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. L’orbita completa richiede 16 anni e la massa del buco nero è circa quattro milioni di volte quella del sole.

I dati chiave della ricerca sono stati gli spettri che il team di Ghez ha analizzato in aprile, maggio e settembre, quando la stella in questione si è avvicinata maggiormente all’enorme buco nero. Gli spettri dalle stelle mostrano l’intensità della luce e offrono importanti informazioni sulla stella da cui viaggia la luce. Gli spettri mostrano anche la composizione della stella. Questi dati sono stati combinati con le misurazioni che Ghez e il suo team hanno effettuato negli ultimi 24 anni.

Gli spettri – raccolti al W.M. Keck Observatory alle Hawaii utilizzando uno spettrografo costruito all’UCLA da un team guidato dal collega James Larkin – forniscono la terza dimensione, rivelando il movimento della stella ad un livello di precisione mai raggiunto in precedenza. (Le immagini della stella che i ricercatori hanno preso all’Osservatorio di Keck forniscono le altre due dimensioni). Lo strumento di Larkin prende la luce da una stella e la disperde, simile al modo in cui le gocce di pioggia disperdono la luce dal sole per creare un arcobaleno.

«La particolarità di S0-2 è che abbiamo la sua orbita completa in tre dimensioni», afferma il professore. «Questo è ciò che ci dà il biglietto d’ingresso alle prove di relatività generale. Abbiamo chiesto come si comporta la gravità nei pressi di un buco nero supermassiccio e se la teoria di Einstein ci sta raccontando tutta la storia. Vedere le stelle passare attraverso la loro orbita completa fornisce la prima opportunità di testare la fisica fondamentale usando i movimenti di queste stelle».

Il team di ricerca di Ghez è stato in grado di vedere l’unione di spazio e tempo vicino al buco nero supermassiccio. Nella versione di Newton della gravità, spazio e tempo sono separati, e non si mescolano; sotto Einstein, si mescolano completamente vicino a un buco nero.

«Effettuare una misura di tale importanza fondamentale ha richiesto anni di paziente osservazione, resa possibile da una tecnologia all’avanguardia», dichiara Richard Green, direttore della sezione scienze astronomiche del National Science Foundation.

Il culmine dell’impegno costante del team degli ultimi due decenni è per svelare i misteri del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia della Via Lattea.

I ricercatori hanno studiato i fotoni – particelle di luce – come hanno viaggiato da S0-2 alla Terra. S0-2 si muove intorno al buco nero a velocità di oltre 16 milioni di miglia all’ora nel momento in cui si avvicina sempre di più. Einstein aveva riferito che in questa regione vicino al buco nero, i fotoni devono fare del lavoro extra. La loro lunghezza d’onda quando lasciano la stella dipende non solo dalla velocità di movimento della stella, ma anche dalla quantità di energia che i fotoni spendono per sfuggire al potente campo gravitazionale del buco nero. In prossimità di un buco nero, la gravità è molto più forte che sulla Terra.

Ghez ha avuto l’opportunità di presentare dati parziali la scorsa estate. «Stiamo imparando come funziona la gravità. È una delle quattro forze fondamentali e quella che abbiamo testato meno».

Ci vogliono 26.000 anni perché i fotoni da S0-2 raggiungano la Terra. «Siamo così eccitati, e ci stiamo preparando da anni per effettuare queste misure. È ora ma in realtà è successo 26.000 anni fa!»

Questo è il primo di molti test di relatività generale che il team di ricerca del prof. Ghez condurrà sulle stelle vicino al buco nero supermassiccio. Tra le stelle che più interessano, la S0-102 ha l’orbita più breve, impiegando 11 anni e mezzo per completare un’orbita completa intorno al buco nero. La maggior parte degli studi del team su altre stelle hanno orbite molto più lunghe di una vita umana.

I ricercatori hanno effettuato misurazioni circa ogni quattro notti nei periodi cruciali del 2018 utilizzando l’Osservatorio di Keck – che si trova in cima al vulcano Mauna Kea delle Hawaii e ospita uno dei più grandi e più importanti telescopi ottici a infrarossi del mondo. Le misurazioni vengono effettuate anche con un telescopio ottico-infrarossi presso l’Osservatorio Gemini e il Subaru Telescope, sempre alle Hawaii. Il team ha utilizzato i dati di questi telescopi sia in loco alle Hawaii che a distanza da una sala di osservazione nel dipartimento di fisica e astronomia dell’UCLA.

I buchi neri hanno una densità così alta che nulla può sfuggire alla loro attrazione gravitazionale, nemmeno la luce. Non possono essere visti direttamente, ma la loro influenza sulle stelle vicine è visibile e fornisce una “firma”. Una volta che qualcosa attraversa l'”orizzonte degli eventi” di un buco nero, non sarà in grado di fuggire. Tuttavia, la stella S0-2 è ancora piuttosto lontana dall’orizzonte degli eventi, anche nel momento in cui si avvicina di più, quindi i suoi fotoni non vengono trascinati dentro.

Fonte per approfondimenti: Tuan Do, Aurelien Hees, Andrea Ghez, Gregory D. Martinez, Devin S. Chu, Siyao Jia, Shoko Sakai, Jessica R. Lu, Abhimat K. Gautam, Kelly Kosmo O’Neil, Eric E. Becklin, Mark R. Morris, Keith Matthews, Shogo Nishiyama, Randy Campbell, Samantha Chappell, Zhuo Chen, Anna Ciurlo, Arezu Dehghanfar, Eulalia Gallego-Cano, Wolfgang E. Kerzendorf, James E. Lyke, Smadar Naoz, Hiromi Saida, Rainer Schödel, Masaaki Takahashi, Yohsuke Takamori, Gunther Witzel, Peter Wizinowich. Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic center supermassive black hole. Science, 2019 DOI: 10.1126/science.aav8137

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