L'oggetto misterioso e invisibile che muove la nostra Via Lattea

L'universo è anche uno spazio che suscita domande: cosa succede esattamente al centro di una galassia, per esempio? Andrea Ghez, premio Nobel per la fisica 2020, si è dedicata a questa domanda nel corso della sua carriera di astronoma e astrofisica. ? possibile che al centro di ogni galassia ci sia un buco nero supermassiccio e che più una galassia è massiccia, più è massiccia? Sono domande che vengono discusse e studiate in astronomia.

Anche se l'esistenza dei buchi neri è oggi scientificamente riconosciuta, la loro natura nasconde ancora dei misteri: la ricerca fondamentale non ha ancora trovato una spiegazione logica di come o da cosa si siano formati i "buchi neri supermassicci" e di come siano collegati alla formazione e all'evoluzione di intere galassie. Secondo una teoria comune, potrebbero essersi formati dalla fusione di buchi neri stellari preesistenti. Questi ultimi si formano quando le stelle massicce collassano. Tuttavia, questa ipotesi non è ancora stata confermata o smentita da dati di misura concreti.

Dalla possibilità alla certezza

Nel caso della nostra galassia, la Via Lattea, è ormai ampiamente accettato, sia a livello teorico che empirico, che al suo centro esista un buco nero supermassiccio. Il suo nome è Sagittarius A*. La prova empirica più convincente della sua esistenza è stata finora fornita da Reinhard Genzel, direttore dell'Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre, e da Andrea Ghez, professoressa di fisica e astronomia all'Università della California, Los Angeles. In occasione delle Paul Bernays Lectures 2021, Andrea Ghez parlerà la prossima settimana del percorso "dalla possibilità alla certezza di un buco nero supermassiccio". Parlerà anche della misura in cui le scoperte sulla Via Lattea possono espandere la nostra conoscenza di altre galassie.

Andrea Ghez è stata insignita del premio Nobel per la fisica nel 2020 insieme a Reinhard Genzel e Roger Penrose: Penrose per la scoperta che la formazione dei buchi neri può essere prevista senza contraddizioni utilizzando la teoria della relatività generale; Genzel e Ghez per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia. Da un punto di vista fisico, i buchi neri sono oggetti estremamente massicci e compatti la cui gravità è così forte da attrarre tutto ciò che entra nel loro bacino, il cosiddetto orizzonte degli eventi: nulla può sfuggire a un buco nero, né stelle né soli, né radiazioni né informazioni - nemmeno la luce. I buchi neri devono il loro nome al fatto che "ingoiano" la luce e sono invisibili all'uomo.

Mentre Roger Penrose ha ricevuto il premio Nobel per una dimostrazione matematica, Reinhard Genzel e Andrea Ghez sono stati premiati per aver perfezionato la tecnologia e gli strumenti di misurazione a tal punto da riuscire a rilevare indirettamente l'oggetto invisibile ed estremamente pesante nel cuore della Via Lattea come un buco nero, grazie a metodi ottici e di imaging ad alta risoluzione all'avanguardia.

"Andrea Ghez ha indagato per molti anni su ciò che accade al centro della galassia. Come abile costruttore di strumenti, ha continuamente sviluppato e migliorato in modo significativo la tecnologia di misurazione necessaria per osservare i buchi neri", afferma l'astrofisico Philippe Jetzer, professore dell'Università di Zurigo, che presenterà la ricerca di Andrea Ghez alle Bernays Lectures. Jetzer è specializzato in onde gravitazionali e teoria della relatività. Sta conducendo ricerche sulla formazione dei buchi neri supermassicci in relazione al progetto del satellite di ricerca dell'ESA "LISA", a cui partecipano anche ricercatori dell'ETH, che dovrebbe fornire nuovi dati di misura sulle onde gravitazionali dallo spazio.

Immagini più nitide rivelano il buco nero

L'attenzione di Andrea Ghez, invece, si concentra sulle tecnologie di misurazione che possono essere utilizzate per osservare dalla Terra le stelle e gli spazi tra di esse, nonché le galassie e i loro centri. Di solito scatta le sue immagini con i telescopi da 10 metri dell'Osservatorio Keck alle Hawaii. Con le immagini convenzionali, le immagini dei telescopi terrestri hanno uno svantaggio rispetto alle immagini dallo spazio: a causa della turbolenza dell'atmosfera terrestre, le immagini sono distorte e sfocate.

Dagli anni '90, Ghez ha perfezionato le tecniche di imaging e di ottica, nonché i rivelatori dell'astronomia a infrarossi, in modo che gli effetti di sfocatura dei telescopi possano essere ridotti e corretti in tempo reale. Le immagini ad alta risoluzione che ne derivano sono così nitide che stelle e oggetti astronomici sono chiaramente riconoscibili (vedi immagine).

Sulla base delle immagini migliorate, Ghez - e Genzel - hanno potuto riconoscere che migliaia di stelle orbitano intorno allo stesso oggetto invisibile al centro della Via Lattea. Inoltre, questo oggetto centrale deve essere molto piccolo, poiché le stelle orbitano indisturbate senza scontrarsi con esso. L'elevata velocità delle stelle, fino al quattro per cento della velocità della luce, indica inoltre che questo oggetto è estremamente pesante e influenza il movimento delle stelle con la sua enorme forza gravitazionale. Infatti, la massa di questo oggetto è circa quattro milioni di volte la massa del nostro sole. Da queste scoperte e dalle spiegazioni alternative che si possono escludere, ne consegue che un buco nero supermassiccio è la spiegazione più plausibile e convincente di questo oggetto.

Ghez sta attualmente studiando come ampliare il suo approccio. Rispetto alle galassie, il buco nero della Via Lattea è relativamente silenzioso. Se i movimenti in una galassia che appare piuttosto inattiva come la Via Lattea sono controllati da un buco nero al centro, allora non è azzardato ipotizzare che oggetti di questo tipo si trovino al centro di tutte le galassie.

La presentazione di Andrea Ghez alle Paul Bernays Lectures 2021 fa seguito, senza soluzione di continuità, a quella del convegno "Dalla possibilità alla certezza". Ciclo di lezioni "Donne nella scienza e nello spazio". in cui le donne fisiche hanno presentato le loro ricerche sul tema dello spazio su invito del l'ETH Sarah Springman questa primavera (vedi link sotto).