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La famosa foto di Einstein che fa la linguaccia ad un fotografo - 14 marzo 1951.

La curiosità del mese

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Einstein aveva ragione, di nuovo

La curiosità del mese di ottobre 2018 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - La nostra Galassia, la Via Lattea, vista nelle onde radio, in infrarosso e nel visibile. Notate le bande e le zone scure nellíimmagine in luce visibile. Sono prodotte dallíassorbimento dovuto a polveri, relativamente molto dense verso il centro della Galassia. La luce visibile Ť assorbita, ma quella infrarossa riesce a passare indenne, come quella radio.
Fig. 1 - La nostra Galassia, la Via Lattea, vista nelle onde radio, in infrarosso e nel visibile. Notate le bande e le zone scure nell’immagine in luce visibile. Sono prodotte dall’assorbimento dovuto a polveri, relativamente molto dense verso il centro della Galassia. La luce visibile è assorbita, ma quella infrarossa riesce a passare indenne, come quella radio.

Tre anni fa abbiamo festeggiato i 100 anni dalla pubblicazione della relatività generale, e l’abbiamo fatto regalandoci, e regalando ad Einstein, la scoperta delle onde gravitazionali.
Un trionfo epocale non solo del pensiero di Einstein, ma anche dell’ingegno di tanti fisici e ingegneri che sono stati capaci di costruire degli strumenti capaci di rivelare l’effetto minuscolo che le onde gravitazionali imprimono nello spazio.
Adesso è la volta di un’altra predizione di Einstein a venire provata oltre ogni ragionevole dubbio: lo spostamento verso il rosso della luce generata vicino un buco nero.

Fig. 2 - Questa figura fa vedere le orbite delle stelle attorno al buco nero al centro della Via Lattea, 26 mila anni luce da noi. Da molti anni osserviamo queste stelle in Infrarosso, perche' la luce visibile e' assorbita da una spessa coltre di polveri. Con grandissima pazienza siamo riusciti a ricostruire le loro orbite.
Fig. 2 - Questa figura fa vedere le orbite delle stelle attorno al buco nero al centro della Via Lattea, 26 mila anni luce da noi. Da molti anni osserviamo queste stelle in Infrarosso, perchè la luce visibile è assorbita da una spessa coltre di polveri. Con grandissima pazienza siamo riusciti a ricostruire le loro orbite.

Che la luce risentisse della gravità era ben noto, e già nel 1959 Pound e Rebka, due scienziati americani, avevano misurato di quanto la luce cambia la sua frequenza, cioè il suo colore, passando dal tetto allo scantinato di un edificio di Harward, cioè "cadendo" da un’altezza di 23 metri.
Quando la luce scendeva verso il basso diventava più blu, mentre se saliva dallo scantinato al tetto, diventava più rossa. E proprio della quantità prevista dalla relatività generale di Einstein.
È come se la luce "faticasse" a viaggiare contro la gravità quando sale, e ricevesse "una spinta" quando invece scende (ma non ditelo a scienziati professionisti, questa à solo un’analogia ...).
La luce non può cambiare la sua velocità, che rimane la stessa, ma cambia la sua energia, cioè la sua frequenza, cioè il suo colore.

Fig. 3 - La figura a sinistra mostra di nuovo le orbite di parecchie stelle attorno al buco nero del nostro centro galattico. Le stelle sono contrassegnate da vari numeri preceduti dalla lettera S (che sta per Star). La figura a destra mostra uno zoom sull'orbita della stella S2 e mostra le posizioni di S2 fotografate durante gli anni. Il tempo necessario a S2 per compiere un'orbita e' di 16 anni.  Da notare che l'orbita e' una ellisse molto schiacciata. Notate anche la posizione del buco nero. Nel punto di massimo avvicinamento, S2 si trova a 17 ore luce dal buco nero, ossia a circa 18 miliardi di km. Sembra tanto, ma non e' che 1400 volte la dimensione del raggio di non ritorno del buco nero stesso. Se il nostro sole diventasse un buco nero, avrebbe un raggio di non ritorno di 3 km, e su questa scala S2 passerebbe a circa 4200 km dal Sole diventato buco nero: meno di un raggio terrestre. [Cmglee - Opera propria].
Fig. 1 - La figura a sinistra mostra di nuovo le orbite di parecchie stelle attorno al buco nero del nostro centro galattico. Le stelle sono contrassegnate da vari numeri preceduti dalla lettera S (che sta per Star). La figura a destra mostra uno zoom sull’orbita della stella S2 e mostra le posizioni di S2 fotografate durante gli anni. Il tempo necessario a S2 per compiere un’orbita è di 16 anni. Da notare che l’orbita è una ellisse molto schiacciata. Notate anche la posizione del buco nero. Nel punto di massimo avvicinamento, S2 si trova a 17 ore luce dal buco nero, ossia a circa 18 miliardi di km. Sembra tanto, ma non è che 1400 volte la dimensione del "raggio di non ritorno" del buco nero stesso. Se il nostro sole diventasse un buco nero, avrebbe un raggio di non ritorno di 3 km, e su questa scala S2 passerebbe a circa 4200 km dal Sole diventato buco nero: meno di un raggio terrestre. [Cmglee - Opera propria].

Quello che è stato annunciato lo scorso luglio è simile, ma l’esperimento era molto più grande, enormemente più grande, visto che non si è usata la gravitè della Terra, ma una gravità molto molto maggiore.
Il fatto è questo: nel centro della Via Lattea si annida un mostro.
Coperto da polveri che lo nascondono alla nostra vista, ma non ai nostri strumenti per l’infrarosso.
In questa banda riusciamo a vederlo. Beh, vederlo è una parola grossa, visto che è per definizione invisibile. È un buco nero. Enorme. Distante da noi 26 mila anni luce. Vuol dire che quando la luce è partita da lì, qui sulla Terra l»uomo viveva ancora nelle caverne, non aveva ancora inventato l’agricoltura, e per vivere raccoglieva bacche e cacciava, spostandosi di continuo.
Le foto in infrarosso che vediamo adesso (Fig. 2) mostrano stelle che percorrono orbite strane, tutte intorno ad un punto, dove però non si vede niente.

Fig. 4 - Ricostruzione del passaggio della stella S2 nel punto della sua orbita piu' vicino al buco nero che si annida nel centro della Via Lattea. Il disegno non e' in scala.  Il 19 maggio 2018 S2 si trovava a circa 18 miliardi di chilometri dal buco nero. Sembra tanto, ma non lo e', viste le dimensioni del raggio di non ritorno del buco nero: 13 milioni di chilometri.
Fig. 4 - Ricostruzione del passaggio della stella S2 nel punto della sua orbita più vicino al buco nero che si annida nel centro della Via Lattea. Il disegno non è in scala. Il 19 maggio 2018 S2 si trovava a circa 18 miliardi di chilometri dal buco nero. Sembra tanto, ma non lo è, viste le dimensioni del raggio di non ritorno del buco nero: 13 milioni di chilometri.

Dalle posizione di queste stelle, fotografate anno dopo anno, si sono ricostruite le loro orbite, e si è così potuta calcolare la massa dell’oggetto invisibile: 4 milioni di masse solari.
Le stelle che gli girano intorno sono state chiamate con la lettera S seguita da un numero: S1, S2, S3 ... E così via. Si è scoperto che S2 completa la sua orbita in 16 anni, e nel maggio scorso si trovava nel punto più vicino al buco nero: al suo periastro, come si dice. La distanza dal buco nero era "solo" 17 ore luce, cioè 18 miliardi di chilometri.
Sembra tanto, ma stiamo parlando di stelle in orbita, non di pianeti ... A quella distanza dal buco nero, la gravità è enorme.
Infatti S2, per rimanere in orbita e non venire risucchiata, si muove a 5000 chilometri al secondo (18 milioni di chilometri all’ora, altro che formula 1 ...).
Facciamo un altro esempio. Proviamo ad aggiungere massa alla Terra senza cambiare il suo raggio, e vediamo quanta ne dobbiamo mettere per sentire la stessa gravità che sente un corpo a 17 ore luce dal mostro al centro della Via Lattea. Ebbene, dovremmo mettere una massa pari a quella del Sole, e tutta dentro un raggio terrestre, cioè 6500 chilometri. Ve lo immaginate?
Proviamo a pensare a quanto peseremmo, su una super Terra di questo tipo. Una persona che normalmente pesa 60 chili, sulla super Terra peserebbe 12 milioni di chili. Impressionante, no? Hai voglia a fare cure dimagranti ...
Questo dà l’idea dell’importanza di aver seguito con pazienza S2 nella sua orbita, aspettando il momento in cui sarebbe stata più vicina al mostro. Ne valeva la pena, perchè si ha una gravità che dalle nostre parti (nel sistema solare e dintorni) non si raggiunge mai.
La luce emessa da S2, per arrivare fino a noi, deve "fare fatica" contro il campo gravitazionale del mostro, e quindi diventa più rossa. Di quanto? Di quanto previsto dalla relatività generale? Se sì allora Einstein passa vittorioso l’ennesimo test, altrimenti ha torto. Oddio, siamo così drastici? Sì, non noi, ma il metodo scientifico. Se l’esperimento non conferma la previsione, tutti a casa, a rifare i conti e a studiare.
Com’è finita, secondo voi?
Einstein ha passato il test. L’ennesimo test. Sono cent’anni che passa tutti gli esami di relatività generale a pieni voti, e dire che il Nobel l’ha preso non per la relatività, ma per l’effetto fotoelettrico ...



Per saperne di più: video ESO del 26 luglio 2018

In orbita vicino ad un buco nero supermassivo: primo test riuscito della relativita` generale
Video artistico del passaggio della stella vicino al buco nero del centro della nostra Galassia
Zoom nel cuore della Via Lattea
La stella S2 raggiunge la minima distanza dal buco nero
Stelle in orbita intorno al buco nero centrale della Via Lattea
Simulazione delle orbite delle stelle intorno al buco nero centrale della Via Lattea

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