La teoria della relatività generale di Einstein è stata formulata poco più di 100 anni fa. Ma, dagli anni ’20 agli anni ’50, conobbe sviluppi significativi solo nelle mani di una manciata di fisicifisici Eastronomiastronomi esplorare, tale Georges LemaitreGeorges Lemaitrele implicazioni delle equazioni relativistiche della gravitazione in cosmologia, e simili EinsteinEinstein cercando di generalizzare la sua teoria per incorporare la forza elettromagnetica e dedurre le proprietà delle particelle elementari allora conosciute. Tentativi vani su questi ultimi punti, tanto che la maggior parte dei fisici e degli scienziati astrofisiciastrofisici dell’epoca si occuperà principalmente di sviluppare le conseguenze della scoperta da parte di Heisenberg e Schrödinger delle equazioni della meccanica quantistica nei campi della fisicofisico atomico e nucleare, e per creare la teoria quantistica e relativistica dei campi in essa implicata.
Sagittarius A*, un laboratorio di astrofisica
Quest’anno 2025 celebreremo il centenario della scoperta di queste equazioni da parte di Heisenberg. Ma, indiscutibilmente, come amava ricordarci il premio Nobel per la fisica Subrahmanyan Chandrasekhar, “ la teoria della relatività generale è una teoria della gravitazione e, come la teoria newtoniana della gravitazione, che affina e amplia, la sua foyerfoyer naturale è l’astronomia “, tanto che ha conosciuto una rinascita a partire dagli anni ’60 con la scoperta di quasarquasarDi radiazione fossileradiazione fossile Di Big BangBig Bang e infine, pulsarpulsar.
Jean-Pierre Luminet, direttore della ricerca al CNRS, e Françoise Combes, professoressa al Collège de France, ci parlano dei buchi neri, in particolare dei grandi buchi neri supermassicci delle galassie che si trovano dietro i quasar e che influiscono sull’evoluzione delle galassie. © Fondazione Hugot del Collège de France
È a partire da questi anni, e soprattutto durante gli anni ’70, che svilupperemo intensamente la fisica dell’ buchi neribuchi neridel onde gravitazionalionde gravitazionali ed esplorare anche alternative alla teoria della gravitazione di Einstein che, pur presupponendo che esista la stessa spazio-tempospazio-tempo curva, postulerà equazioni diverse da quelle di Einstein (le testeremo in questi anni nel Sistema solareSistema solare e con le pulsar binariobinario). I buchi neri diventeranno allora, in questo contesto, laboratori teorici che permetteranno di testare sia le conseguenze più fondamentali della fisica di Einstein dello spazio-tempo fortemente curvo, sia quelle di queste alternative. Ci renderemo conto sempre di più che sono la chiave del comportamento di nuclei galattici attivinuclei galattici attivi e che influenzano fortemente l’evoluzione di quest’ultimo. Capiremo anche che i buchi neri devono contenere le chiavi per una teoria quantistica della gravitazione, probabile chiave a sua volta per la nascita dellaUniversoUniversodel questionequestione che contiene e l’apparizione delle galassie e delle grandi strutture che le uniscono.
Si scopre che pensiamo di essere fortunati ad avere un buco nero disponibile da studiare tramite osservazioni questa volta tutte queste domande nel nostro via Latteavia Lattea ed è supermassiccia, come il cuore di quasi tutte le altre grandi galassie, principalmente a spirale o ellittiche. Inizialmente lo abbiamo scoperto inconsapevolmente sotto forma di un’intensa sorgente radio nel costellazionecostellazione del Sagittario. Viene indicato come Sagittario A*Sagittario A* (Sgr A*) e se ne trova circa 27.000 anni luceanni luce del Sistema Solare.
Da EHT a James-Webb
Per decenni, i progressi nel suo studio si faranno essenzialmente studiando l’ movimentimovimenti di alcuni stellestelle i propri cari in giro Sagittario A*. Questi movimenti si combinano con altre osservazioni in vari modi lunghezze d’ondalunghezze d’onda indicano che esiste un oggetto molto compatto che non irradia come una stella e quindi si comporta, per molti versi, come un vero buco nero dal punto di vista astrofisicaastrofisica. Gli studi su questi movimenti furono condotti principalmente dai premi Nobel per la fisica Reinhard Genzel e Andrea Ghez e dimostrarono che l’oggetto compatto rivelato aveva un massamassa poco più di 4 milioni di volte quello di SoleilSoleil.
Se è davvero un buco nero, ciò implica che abbia un orizzonte degli eventiorizzonte degli eventi che definisce una sorta di membrana chiusa che può essere attraversata solo in una direzione – perché sarebbe necessario andare oltre velocità della lucevelocità della luce per uscirne – non sappiamo ancora bene se è descritto dalla soluzione delle equazioni di Einstein per un buco nero senza rotazione, la famosa soluzione di Schwarzschild, o in rotazione come pensiamo, il che implica che lo spazio-tempo è quello della cosiddetta soluzione Kerr.
Più recentemente, come mostrato nel video all’inizio di questo articolo, questi sono i membri della collaborazione Telescopio dell’orizzonte degli eventi che si è concentrato sullo studio di Sagittario A* nel campo delle onde elettromagnetiche accessibili ai radiotelescopi. Ma per la prima volta queste osservazioni sono state integrate da quelle rese possibili nel campo dellainfrarossiinfrarossi significa gli strumenti di telescopio spaziale James-Webbtelescopio spaziale James-Webbil JWST.
Come dimostrato da un articolo pubblicato, una versione del quale è liberamente accessibile su arXivun team internazionale guidato da astronomi dell’Harvard & Smithsonian Center for Astrophysicals (CfA) ha rilevato per la prima volta un bagliore nel medio infrarosso disco di accrescimentodisco di accrescimento che circonda il buco nero Sgr A* grazie al JWST. Il medio infrarosso rende possibile osservare oggetti e fenomeni, come gli equivalenti di brillamenti solaribrillamenti solariche sono spesso difficili da osservare in altre lunghezze d’onda a causa della polvere impenetrabile.
Un analogo dei brillamenti solari magnetici
In una dichiarazione, Joseph Michail, uno degli autori principali dello studio e ricercatore post-dottorato presso la Harvard CfA, spiega: “ Il brillamento Sgr A* si stava evolvendo e cambiando rapidamente, nel giro di poche ore, e non tutti questi cambiamenti sono visibili a tutte le lunghezze d’onda. Da oltre 20 anni sappiamo cosa accade nel dominio radio e nel vicino infrarosso, ma il collegamento tra i due non è mai stato chiaro o certo al 100%. Questa nuova osservazione nel medio infrarosso colma questa lacuna e collega i due. »
Potremo così testare meglio il modelli digitalimodelli digitali descrivendo cosa sta accadendo nel turbolento disco di accrescimento del buco nero supermassicciobuco nero supermassiccio e che predicono le eruzioni, secondo i meccanismi magnetoidrodinamici e di fisica del plasma che si trovano dietro le più note eruzioni solari. Numerose simulazioni, infatti, suggeriscono che le eruzioni del Sgr A* siano causate dalla famosa riconnessione delle linee del campo magneticocampo magnetico nel turbolento disco di accrescimento. Osserviamo quindi nel caso del Sole che quando due linee del campo magnetico si avvicinano, possono connettersi tra loro e rilasciare una grande quantità della loro energiaenergia alimentando ilemissioneemissione dite sincrotrone d’elettronielettroni muovendosi a velocità prossime a quella della luce lungo le linee del campo magnetico.
Le nuove osservazioni offerte dal JWST sono coerenti con i modelli e le simulazioni esistenti, fornendo ulteriori prove a sostegno della teoria di cosa c’è dietro i brillamenti.
« Sebbene le nostre osservazioni suggeriscano che l’emissione nel medio infrarosso di Sgr A* sia effettivamente il risultato dell’emissione di sincrotrone da parte del raffreddamento degli elettroni, resta ancora molto da capire circa riconnessione magneticariconnessione magnetica e il turbolenzaturbolenza nel disco di accrescimento di Sgr A*. Questo primo rilevamento nel medio infrarosso e la variabilità osservata con la SMA non solo hanno colmato una lacuna nella nostra comprensione di ciò che causa i brillamenti Sgr A*, ma hanno anche aperto una nuova importante strada di ricerca “, spiega Sebastiano von Fellenberg, ricercatore post-dottorato al Max-InstitutPlanckPlanck de radioastronomie (MPIfR) e autore principale del nuovo articolo.
Le osservazioni di James-Webb sono state poi completate contemporaneamente con il submillimeter array (SMA), sulla vetta del Mauna Kea/Hawaii), il telescopio NuSTAR e l’osservatorio a raggi Xraggi X ChandraChandra.
La SMA ha quindi dimostrato che l’osservazione dell’eruzione nelle onde millimetriche è stata ritardata di circa 10 minuti rispetto all’eruzione nel medio infrarosso. Apparentemente, tuttavia, non c’era abbastanza energia per produrre radiazioni di raggi X rilevabili.
