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Un diario di cose celesti

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Le stelle di Sgr A* e il test della Relatività Generale

05 Oct 2012 05:19 PM – Michele Diodati

Il gruppo di ricerca dell'Università della California capitanato da Andrea Ghez sta osservando da ormai 17 anni il centro galattico nel vicino infrarosso, usando le ottiche adattive e le più sofisticate tecniche di imaging disponibili con i due telescopi da 10 m dell'Osservatorio Keck, sulla vetta del Mauna Kea. Lo scopo di questa ormai quasi ventennale ricerca è lo studio più accurato possibile delle orbite delle stelle che gravitano intorno a Sgr A*, il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea.

La precisa determinazione dell'orbita della stella chiamata S0-2 permise già nel 2003 di accertare, al di là di ogni ragionevole dubbio, che l'oggetto intorno al quale quella stella girava non poteva essere altro che un buco nero supermassiccio da circa 4 milioni di masse solari. Solo un oggetto di quella massa poteva, infatti, stirare l'orbita di S0-2, una stella almeno 15 volte più massiccia del Sole e molto più brillante, accelerandola fino a una velocità prossima a 10.000 km/s, circa il 3% della velocità della luce, nel passaggio al periastro (o peribotro, per usare il termine coniato dall'astrofisico Sterl Phinney per indicare il punto dell'orbita più vicino a un buco nero).

Finora S0-2 era l'unica stella intorno a Sgr A* di cui era stato possibile seguire un'intera orbita, l'unica, cioè, con un periodo, 16 anni, minore del tempo trascorso dall'inizio della ricerca, partita nel 1995. Ma un nuovo studio pubblicato il 5 ottobre 2012 su Science riporta la determinazione del periodo orbitale completo di una seconda stella gravitante intorno a Sgr A*. La nuova stella è S0-102 e orbita intorno al buco nero in 11,5 anni, diventando così la stella con il periodo orbitale noto più breve, tra quelle tenute sotto osservazione dal gruppo della Ghez.

S0-2, S0-102 e la controparte elettromagnetica di Sgr A*, in un'immagine del 2010, ottenuta nel vicino infrarosso, a 2,12 µm, con le ottiche adattive di uno dei telescopi Keck. L'immagine permette di comprendere la difficoltà di seguire il moto orbitale di S0-102, una stella 16 volte meno luminosa di S0-2. Cortesia: arXiv:1210.1294v1 [astro-ph.GA]

S0-2, S0-102 e la controparte elettromagnetica di Sgr A*, in un'immagine del 2010, ottenuta nel vicino infrarosso, a 2,12 µm, con le ottiche adattive di uno dei telescopi Keck. L'immagine permette di comprendere la difficoltà di seguire il moto orbitale di S0-102, una stella 16 volte meno luminosa di S0-2. Cortesia: arXiv:1210.1294v1 [astro-ph.GA]

La determinazione del periodo orbitale di questa seconda stella è di estrema importanza per la verifica sperimentale degli effetti della relatività generale, in presenza di un campo gravitazionale molto potente come quello generato da un buco nero da 4 milioni di masse solari. Avere due stelle invece di una su cui effettuare tale verifica permette, infatti, di ottenere dati più precisi e affidabili.

Il campo gravitazionale di Sgr A* dovrebbe generare effetti relativistici di almeno due ordini di grandezza maggiori di quelli che sono stati osservati nel sistema solare e nel sistema binario di pulsar scoperto da Hulse e Taylor nel 1974.

Sono due gli effetti relativistici che il gruppo di ricerca della Ghez prevede di poter osservare studiando le orbite di S0-2 e S0-102:

Gli effetti della curvatura dello spaziotempo si manifestano in due modi: l'orbita di una stella devia dalla sua approssimazione kepleriana e il percorso e la lunghezza d'onda della luce che essa emette risultano modificati.

Il secondo effetto si manifesta con uno spostamento verso il rosso delle righe spettrali. Tale spostamento sarà rilevabile con maggiore facilità al periastro, quando maggiore sarà la velocità delle due stelle. Poiché S0-2 e S0-102 sono anche le uniche due stelle che passeranno questo punto dell'orbita entro i prossimi dieci anni (S0-2 nel 2018 e S0-102 nel 2021), diventa della massima importanza perfezionare da qui alla fine del decennio la determinazione dei loro parametri orbitali.

Quanto al primo effetto, si tratta di una variazione cumulativa che può diventare evidente a mano a mano che verranno registrati i dati relativi a successivi periodi orbitali completi delle due stelle. Gli effetti relativistici dell'attrazione esercitata da Sgr A* sulle orbite di S0-2 e S0-102 si manifesteranno con la precessione dei periastri delle due stelle, ma per rilevare il fenomeno occorrerà che vengano costruiti nel frattempo telescopi di nuova generazione, in grado di registrare spostamenti orbitali nell'ordine di un decimillesimo di secondo d'arco l'anno.

Si tratta ovviamente di una ricerca molto complessa, i cui termini generali sono descritti alla fine dell'articolo pubblicato su Science:

La precessione del periastro, che produce orbite a forma di rosetta, consiste di due componenti: una parte dovuta alla relatività generale, che porta a una precessione prograda, e una parte newtoniana, che porta a una precessione retrograda. La deviazione newtoniana di un'orbita kepleriana è causata dall'inevitabile presenza di massa oscura estesa intorno al buco nero, il che vuol dire che il potenziale gravitazionale non è puntiforme. Si pensa che questa distribuzione di massa estesa consista principalmente di resti stellari – buchi neri di massa stellare e stelle di neutroni – forniti dal denso ammasso stellare del nucleo. Allo scopo di misurare solo la parte dovuta alla relatività generale, è necessaria la misurazione dello spostamento del periastro in più di una stella ... . Ciò rende una stella come S0-102 un ingrediente necessario per la misurazione della curvatura dello spaziotempo intorno a un buco nero supermassiccio.

Le orbite di S0-2, in nero, e di S0-102, in rosso. Sgr A* si trova all'interno dell'area di intersezione delle due orbite. Cortesia: arXiv:1210.1294v1 [astro-ph.GA]

Le orbite di S0-2, in nero, e di S0-102, in rosso. Sgr A* si trova all'interno dell'area di intersezione delle due orbite. Cortesia: arXiv:1210.1294v1 [astro-ph.GA]

Esempio di orbite a rosetta. Cortesia: Physikalisches Institut, Universität zu Köln

Esempio di orbite a rosetta. Cortesia: Physikalisches Institut, Universität zu Köln

I parametri orbitali di S0-102. Cortesia: arXiv:1210.1294v1 [astro-ph.GA]

I parametri orbitali di S0-102. Cortesia: arXiv:1210.1294v1 [astro-ph.GA]

Riferimenti

Tag: sgr a*, buchi neri, buchi neri supermassicci, relatività generale, S0-2, S0-102, osservatorio keck, articoli

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