Andrea Ghez: a caccia di buchi neri supermassicci

Come si osserva qualcosa che non si può vedere? Questa è la domanda basilare che si pone chiunque voglia scoprire e studiare i buchi neri. Poiché i buchi neri sono oggetti la cui forza di gravità è così intensa che nulla, nemmeno la luce, può sfuggir loro, non si possono vedere a occhio nudo.

Il mio raconto di oggi sui buchi neri è su un buco nero particolare. Vorrei scoprire se al centro della nostra galassia esista o meno un buco nero con una grande massa, quello che ci piace definire buco nero "supermassiccio". Il motivo per cui questa ricerca è interessante è che ci permette di verificare se questi oggetti strani esistano o meno. In secondo luogo questo studio ci permette di capire come questi buchi neri supermassicci interagiscano con l'ambiente e in che modo influiscano nella formazione e nell'evoluzione delle galassie nelle quali si trovano.

Tanto per cominciare, dobbiamo capire cosa sia un buco nero così da poter comprendere cosa ne prova l'esistenza. Cos'è quindi un buco nero? Beh, sotto molti aspetti, un buco nero è un oggetto incredibilmente semplice, poiché se ne possono descrivere solo tre caratteristiche: la massa, la rotazione e la carica. Parlerò solo della massa. Per questo quindi è un oggetto molto semplice. anche se è incredibilmente complicato per altre ragioni tanto da richiedere un tipo di fisica abbastanza esotica, ed in un certo senso rappresenti la sconfitta del nostro modo di comprendere la fisica dell'universo.

Ma oggi voglio che pensiate ad un buco nero, per provarne l'esistenza, come ad un oggetto la cui massa è racchiusa in un volume di dimensione zero. Quindi, nonostante stia per parlarvi di un oggetto supermassiccio, e vi spiegherò tra un attimo che cosa questo voglia realmente dire, il buco nero non ha dimensioni finite. Lo so, è un po' fuorviante.

Ma fortunatamente esiste una dimensione finita osservabile nota come il raggio di Schwarzschild. Il nome deriva dal tizio che ha scoperto perché questo raggio era così importante. Si tratta di un raggio virtuale, non di una cosa reale perchè il buco nero non ha dimensioni. Perché allora è così importante? E' così importante perché ci fa capire che qualsiasi oggetto può trasformarsi in un buco nero. Vuol dire che voi, il vostro vicino, il vostro cellulare, l'auditorium possono trasformarsi in un buco nero se sarete in grado di comprimerlo fino alla dimensione del raggio di Schwarzschild.

Cosa accade a quel punto? A quel punto vince la gravità. La gravità prevale su tutte le altre forze E l'oggetto continua a collassare fino a diventare un oggetto infinitamente piccolo, trasformandosi in un buco nero. Quindi, se comprimessi la Terra fino alla dimensione di una zolletta di zucchero, diventerebbe un buco nero, perchè una zolletta di zucchero è il suo raggio di Shwarzschild.

Ebbene, la chiave di tutto sta nel capire cosa sia questo raggio di Schwarzschild. Guarda caso, è alquanto semplice capire di cosa si tratti. Dipende solo dalla massa dell'oggetto. Più l'oggetto è grande, più grande è il suo raggio di Schwarzschild. E viceversa. Quindi, se prendessi il Sole e lo riducessi alla grandezza della Oxford University, diventerebbe un buco nero.

Ora sappiamo cos'è il raggio di Schwarzschild. Si tratta di un concetto piuttosto utile dato che ci informa non solo quando un buco nero si formerà, ma ci da anche la chiave per provarne l'esistenza. Vale a dire ho solo bisogno di due cose. Ho bisogno di capire la massa dell'oggetto che sostengo essere un buco nero e quale sia il suo raggio di Schwarzschild. E poiché la massa determina il raggio di Schwarzschild, essa è la sola cosa da conoscere.

Quindi quel che devo fare per convincervi che ci sia un buco nero, è mostrarvi che c'è un oggetto ridotto al suo raggio di Scwarzschild. E il vostro compito, oggi, è quello di essere scettici. Non vi parlerò di un buco nero comune; vi parlerò di un buco nero supermassiccio.

Volevo dire due parole sulla definizione di buco nero comune, sempre che esista qualcosa come un buco nero comune. Si ritiene che un buco nero comune sia lo stadio finale di una stella veramente massiccia. Quindi, se una stella inizia la sua vita con una massa molto superiore a quella del Sole, al termine della sua vita finirà per esplodere lasciandoci dei bellissimi resti di supernova quali vediamo qui. E al centro di quei resti di supernova ci sarà un piccolo buco nero la cui massa sarà pressappoco tre volte la massa del Sole. Su scala astronomica si tratta di un buco nero molto piccolo.

Ma ora voglio parlarvi dei buchi neri supermassicci che si crede siano al centro delle galassie. Questa bella foto scattata dal telescopio spaziale Hubble vi mostra come le galassie esistano in ogni forma e dimensione. Ce ne sono di grandi e di piccole. Quasi tutti gli oggetti di quella foto là sono galassie. In alto a sinistra c'è una galassia a spirale molto graziosa. In quella galassia, ci sono centinaia di miliardi di stelle, giusto per darvi un senso della sua grandezza. Tutta la luce che vediamo provenire da una galassia tipica, che sono le galssie che vediamo qui, deriva dalla luce stellare. Quindi vediamo la galassia grazie alla luce delle sue stelle.

Ci sono alcune galassie relativamente esotiche. Mi piace chiamarle "prime donne" del mondo galattico, poiché sono una specie di esibizioniste. Le chiamiamo nuclei galattici attivi. Le definiamo così perché i loro nuclei, o i loro centri, sono molto attivi. In esse il centro è proprio il punto dal quale proviene la maggior parte della luce. Eppure la luce che vediamo non può essere spiegata solo dalla luce stellare. E' di gran lunga più intensa. In alcuni casi è come quella che vediamo qui. Dal centro partono dei getti E di nuovo si tratta di energia molto difficile da spiegare se pensiamo che le galassie sono fatte solo di stelle.

L'ipotesi di qualcuno è che forse ci sono buchi neri supermassicci dentro i quali la materia cade. Il buco nero in sé è invisibile, ma la sua energia gravitazionale può essere convertita nella luce che vediamo. Riassumendo, si presume che i buchi neri supermassicci esistano al centro delle galassie. Ma è una sorta di prova indiretta.

Ciò nonostante, questo ha fatto nascere l'ipotesi che forse non siano solo queste "prime donne" ad avere dei buchi neri supermassicci, ma piuttosto che tutte le galassie abbiano al loro centro un buco nero supermassiccio. E se è così -- Questo è l'esempio di una galassia comune; e la luce che vediamo è luce stellare. Se c'è un buco nero supermassiccio, dobbiamo supporre che si tratti di un buco nero "a dieta", perché questo è l'unico modo per spiegare l'assenza dei fenomeni legati all'energia nei nuclei galattici attivi.

Se dovessimo cercare questi buchi neri invisibili al centro delle galassie, il miglior luogo dove cercarli sarebbe nella nostra galassia, la Via Lattea. Questa è una foto panoramica del centro della Via Lattea. Quello che vediamo è una fila di stelle. Questo succede perché viviamo in una galassia dalla struttura appiattita e discoidale. Siamo nel mezzo di essa quindi quando guardiamo verso il suo centro, vediamo questo piano che definisce il piano della galassia o linea che definisce il piano della stessa.

Il vantaggio di studiare la nostra galassia sta nel fatto che è semplicemente il centro galattico più vicino che avremmo mai l'occasione di osservare poiché la galassia più vicina oltre la nostra è lontana cento volte tanto. Quindi, nella nostra galassia possiamo scorgere molti più dettagli che altrove. Come vedrete fra pochissimo, l'abilità di notare dettagli è determinante per l'esperimento.

Quindi, come fanno gli astronomi a dimostrare che c'è molta massa in un piccolo volume? Ed è proprio quello che dovrei mostrarvi oggi. Lo strumento è l'osservazione del modo in cui le stelle orbitano attorno al buco nero. Le stelle orbitano attorno al buco nero allo stesso modo in cui i pianeti orbitano attorno al Sole. E' l'attrazione gravitazionale che le fa orbitare. Se non ci fossero oggetti massicci le stelle fuggirebbero via, o si muoverebbero ad una velocità minore, poiché il loro comportamento è determinato unicamente dalla quantità di massa presente nella loro orbita.

Ebbene, questo è fantastico, perché, se vi ricordate, il mio compito è quello di dimostrare che c'è molta massa in un volume ridotto. Quindi, se conosco la velocità di un oggetto ne conosco la massa. E se conosco le dimensioni della sua orbita, ne conosco il raggio. Quindi, devo osservare le stelle che sono vicine al centro della galassia. Dato che voglio dimostrare l'esistenza di una massa in una regione piccolissima devo stare attenta a molti dettagli. E questo è il motivo per cui abbiamo usato per questo esperimento il telescopio più grande del mondo.

Questo è l'osservatorio Keck. Ha due telescopi con degli specchi di 10 metri ciascuno, che equivale pressappoco al diametro di un campo da tennis. Questo è bellissimo poiché la promessa pubblicitaria dei telescopi di grandi dimensioni sta nel fatto che più un telescopio è grande, più sono piccoli i dettagli che si possono vedere. Ma in pratica questi telescopi, come qualunque altro telescopio sulla Terra, hanno avuto qualche difficoltà nel mantenere questa promessa La causa è l'atmosfera. Per noi, l'atmosfera è importantissima, ci permette di sopravvivere qui sulla Terra. Ma è piuttosto un problema per gli astronomi che vogliano guardare gli astri attraverso di essa.

Ecco, per darvi un'idea, è come osservare un ciottolo sul fondo di un torrente. L'immagine del ciottolo sul fondo del fiume, a causa della turbolenza e del movimento dell'acqua, è molto distorta. Allo stesso modo, a causa dell'atmosfera in continuo movimento, è molto difficile l'osservazione delle fonti astronomiche.

Ho dedicato buona parte della mia carriera alla ricerca di soluzioni a questo problema, soluzioni che possano fornirci immagini nitide. E questo ci permette di vedere 20 volte di più. Credo che sarete tutti d'accordo sul fatto che, se si potesse scoprire come innalzare il livello di vita di 20 volte sarebbe un grande salto di qualità, ad esempio per quanto riguarda il vostro salario o i vostri figli.

Quest'animazione è un esempio della tecnica che utilizziamo, la cosiddetta ottica adattiva. State osservando un'animazione che vi mostra un esempio di quello che vedreste se non utilizzaste questa tecnica. In altre parole, è una foto delle stelle. L'obiettivo è puntato sul centro della galassia, dove crediamo ci sia il buco nero. Senza questa tecnologia le stelle non si vedono. Con questa tecnologia, tutto d'un tratto le potete vedere. Questa tecnologia usa uno specchio che si muove in continuazione all'interno del sistema ottico del telescopio per contrastare quello che fa l'atmosfera. E' una sorta di occhiali di lusso per il telescopio.

Nelle prossime diapositive mi concentrerò semplicemente su quel piccolo quadrato laggiù. Guarderemo solo le stelle che si trovano dentro quel piccolo riquadro, anche se le abbiamo osservate tutte. L'intenzione è di vedere come queste si muovono. Nel corso di questo esperimento queste stelle si sono mosse moltissimo. Sono 15 anni che conduciamo questo esperimento e vediamo come le stelle ruotino in circolo.

La maggior parte degli astronomi hanno una stella preferita e la mia di oggi è la SO-2, che si trova proprio lì. E' in assoluto la mia preferita. E questo perché compie un'intera rivoluzione in soli 15 anni. Per darvi un'idea di quanto breve sia questo suo moto di rivoluzione (vi ricordo che) il Sole ci mette 200 milioni di anni per orbitare attorno al centro della galassia. Stelle di nostra vecchia conoscenza, che si trovano vicinissime al centro galattico, ci mettono 500 anni. Mentre questa stella ci mette il tempo di una vita umana. Molto intimo in un certo senso.

Ma è la chiave dell'esperimento. L'orbita mi permette di capire quanta massa c'è all'interno di uno spazio molto piccolo. La prossima è una foto che vi mostra le dimensioni nelle quali ci era possibile confinare la massa del centro galattico prima di questo esperimento. Quello che sapevamo allora era che all'interno di quel cerchio c'era una massa pari a 4 milioni di volte quella del Sole. Come potete vedere, dentro quel cerchio c'erano tante altre cose. Si possono vedere molte stelle. In realtà, c'erano molte alternative all'ipotesi che ci fosse un buco nero supermassiccio al centro della galassia, poiché c'era spazio per molto altro.

Ma con questo esperimento abbiamo concentrato quella stessa massa in un volume molto più piccolo, ovvero in un spazio 10 mila volte più piccolo. E proprio per questo siamo stati in grado di dimostrare la presenza di un buco nero supermassiccio. Per darvi un'idea di quanto le dimensioni siano piccole: questa è la dimensione del nostro sistema solare. e noi stiamo stipando 4 milioni di volte la massa del Sole in quel piccolo volume.

Verità nella pubblicità. Giusto? Vi ho detto che il mio compito è di trovare il raggio di Schwarzchild. In realtà, non l'ho ancora trovato. Eppure, oggi non abbiamo ancora alternative plausibili per spiegare questa concentrazione di massa. E' la prova migliore che abbiamo ad oggi dell'esistenza di un buco nero supermassiccio al centro non solo della nostra galassia, ma di qualunque altra nell'universo. Quindi che fare? Credo proprio che questo sia il meglio che possiamo fare con la tecnologia attuale Andiamo avanti col problema.

Quello che vorrei mostrarvi, molto brevemente, sono alcuni esempi di quello che oggi possiamo fare ora che sappiamo o almeno crediamo di sapere che al centro della galassia, c'è un buco nero supermassiccio. La parte divertente dell'esperimento sta nel fatto che, mentre verificavamo alcune delle nostre teorie sulle conseguenze di un buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, quasi tutte le nostre perevisioni, senza eccezioni, si sono rivelate inconsistenti con quello che abbiamo osservato. E questa è la cosa divertente.

Vi faccio qualche esempio. Potreste chiedere: "Cosa vi aspettavate da stelle antiche, quelle che orbitano attorno al centro galattico da molto tempo, Hanno avuto abbastanza tempo per interagire con il buco nero." Quello che ci si aspetta è che le stelle antiche siano ammassate attorno al buco nero. Dovremmo vedere molte stelle antiche vicino a quel buco nero.

Per le stesse ragioni , al contrario, le stelle giovani non dovrebbero esserci. Infatti un buco nero non è un buon vicino per un "asilo stellare". Una stella, per formarsi, ha bisogno che una palla di gas e di polvere collassino. Si tratta di un'entità molto instabile. Ma cosa fa il vicino grande buco nero? Smantella la nube gassosa. La sua forza di attrazione è molto più potente di quella collassante e la nube viene smembrata. In effetti, immaginavamo che la formazione stellare non potesse accadere in quell'ambiente.

Quindi, non si dovrebbero poter vedere stelle giovani. Cosa vediamo allora? Utilizzando metodi di osservazione diversi da quelli che vi ho mostrato oggi, possiamo in realtà distinguere le stelle antiche dalle giovani. Le antiche sono rosse. Le giovani sono azzurre, e le gialle, ancora non sappiamo. Potete comprendere il nostro sconcerto. C'è una carenza di stelle antiche. Le stelle giovani sono in abbondanza, esattamente il contrario delle nostre aspettative.

Questo è il bello. In fatti adesso cerchiamo di capire il mistero di come -- di come si viene a capo di questa contraddizione. In realtà, i miei laureandi sono proprio ora presso il telescopio hawaiano per scrutare il cielo e, speriamo, per farci progredire al prossimo stadio, in cui possiamo rispondere alla domanda del perché ci siano così tante stelle giovani e così poche stelle antiche. Per fare dei progressi, dobbiamo veramente osservare le orbite delle stelle che sono ancora più lontane. Per farlo, probabilmente avremo bisogno di una tecnologia molto più sofisticata di quella che abbiamo oggi,

In realtà, quando ho detto che correggiamo la poca chiarezza Indotta dall'atmosfera terrestre, intendevo dire che correggiamo solo la metà degli errori introdotti da essa. L'abbiamo fatto lanciando un raggio laser nell'atmosfera e pensiamo di poter correggere anche il resto proiettandone altri. Questo è quello che speriamo di fare nei prossimi anni. Ma in tempi più lunghi quello su cui contiamo è la costruzione di telescopi più grandi, perché, ricordatevi, in astronomia più una cosa è grande meglio è.

Vogliamo costruire un telescopio di 30 m. E con esso dovremmo essere in grado di scorgere le stelle ancora più vicine al centro galattico. Speriamo anche di poter verificare alcune delle teorie sulla relatività generale di Einstein, alcune idee cosmologiche sulla formazione delle galassie. Pensiamo che il futuro di questo esperimento sia molto entusiasmante.

Concludendo, vi mostrerò un'animazione in 3D che mostra come le orbite siano cambiate, in 3D Spero, se non altro, di avervi convinto che, come prima cosa, ci sia veramente un buco nero al centro della nostra galassia. Questo prova che questi oggetti esistono veramente nel nostro universo, dobbiamo affrontarli e spiegare come si siano formati nel nostro mondo fisico.

Come seconda cosa, siamo stati in grado di osservare l'interazione dei buchi neri supermassicci e forse di capire li ruolo che ahnno nella formazione e nel funzionamento delle galassie.

Come ultima cosa, ma non meno importante, nulla di tutto ciò sarebbe stato possibile senza l'avvento del formidabile progresso in campo tecnologico. Secondo noi, si tratta di un campo in continua evoluzione che ci riserverà molte sorprese in futuro. Grazie mille. (Applausi)