Einstein aveva ragione: osservato un buco nero in precessione che trascina lo spaziotempo

Osservato un buco nero trascinare lo spaziotempo: è la conferma diretta dell’effetto Lense-Thirring.

Apre nuove prospettive nello studio dei buchi neri supermassicci e nei fenomeni di distruzione mareale stellare. Una delle predizioni più complesse della relatività generale di Einstein prende forma osservativa concreta.

Lense-Thirring: un effetto predetto un secolo fa, osservato oggi

Nel cuore di una galassia distante, un buco nero supermassiccio sta divorando i resti di una stella che ha avuto la sfortuna di avvicinarsi troppo. In sé, il fenomeno è noto: si tratta di un TDE (Tidal Disruption Event), in cui una stella viene letteralmente fatta a pezzi dalle intense forze mareali generate dalla gravità del buco nero. Tuttavia, ciò che rende questa osservazione straordinaria è che il comportamento della materia attorno al buco nero ha permesso di confermare sperimentalmente l’effetto Lense-Thirring, noto anche come *frame dragging*, uno dei fenomeni più affascinanti della relatività generale.

Predetto da Einstein nel 1915 e formalizzato nel 1918 dai fisici austriaci Josef Lense e Hans Thirring, l’effetto descrive la capacità di un corpo massiccio in rotazione di trascinare con sé il tessuto dello spaziotempo. Fino ad ora, le prove dirette di questo effetto erano limitate a esperimenti nel campo gravitazionale terrestre o a dati indiretti. La nuova osservazione, invece, documenta il fenomeno su scala astrofisica.

Il caso AT2020afhd: un TDE che conferma la relatività

L’evento analizzato, denominato AT2020afhd, è stato osservato grazie alla combinazione di dati nei raggi X, raccolti dal Neil Gehrels Swift Observatory della NASA, e di segnali radio provenienti dal Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), uno dei più potenti radiotelescopi terrestri.

La vittima di questo TDE era una stella che si è avvicinata oltre il limite di Roche del buco nero. La gravità ha causato un processo di spaghettificazione, ovvero l’allungamento verticale e lo schiacciamento orizzontale della stella, che si è trasformata in un flusso di plasma orbitante, formando un disco di accrescimento.

Ma è stato proprio osservando questo disco che i ricercatori hanno notato un’anomalia: variazioni periodiche nell’intensità dei segnali X e radio con un ciclo regolare di 20 giorni terrestri. Questo pattern indicava che sia il disco che i getti relativistici stavano oscillando, o per meglio dire, precessando, attorno all’asse del buco nero.

Il trascinamento dello spaziotempo

Questo comportamento è interpretabile solo come manifestazione del frame dragging: la rotazione del buco nero trascina con sé lo spaziotempo, obbligando il disco di accrescimento e i getti a modificare la loro geometria orbitale in modo ciclico. L’effetto è del tutto analogo a quanto accade nell’idrodinamica con un vortice in un fluido: un corpo in rotazione può influenzare le particelle circostanti, modificandone il moto in maniera coerente e prevedibile.

Dal laboratorio cosmico ai modelli gravitomagnetici

La conferma del Lense-Thirring su scala astrofisica consente per la prima volta di misurare empiricamente l’intensità del campo gravitomagnetico generato da un buco nero. In termini analoghi all’elettromagnetismo, così come un corpo carico in rotazione genera un campo magnetico, un oggetto massivo in rotazione genera un campo gravitomagnetico che può influenzare i corpi vicini.

Il contributo del team di ricerca guidato da Cosimo Inserra (Cardiff University) rappresenta un salto di qualità nell’osservazione della relatività generale in condizioni estreme, fornendo nuovi strumenti per:

• la determinazione del tasso di rotazione (spin) dei buchi neri supermassicci,
• la comprensione della dinamica dei dischi di accrescimento e dei jet relativistici,
• la modellazione delle emissioni elettromagnetiche provenienti dai TDE,
• lo studio della struttura dello spaziotempo in prossimità dell’orizzonte degli eventi.

Emissioni e precessione: una sinfonia gravitazionale

Durante l’osservazione di AT2020afhd, i segnali radio e X non solo mostravano una variazione periodica, ma risultavano sincronizzati tra loro. Questo indica che sia il disco che i getti si muovevano all’unisono sotto l’effetto della precessione. Questo comportamento collettivo è compatibile con un modello in cui lo spaziotempo stesso viene trascinato, costringendo ogni struttura orbitante a seguire una traiettoria precessionale.

Tali segnali non erano stati osservati in precedenti TDE, rendendo l’evento AT2020afhd un caso di studio senza precedenti. Le variazioni osservate non sono spiegabili attraverso meccanismi interni di rilascio energetico: l’unica spiegazione compatibile con i dati è proprio la precessione Lense-Thirring.

Conseguenze sullo studio dei TDE e dei buchi neri

I TDE rappresentano un’opportunità scientifica fondamentale per analizzare come i buchi neri interagiscono con la materia. Quando una stella viene distrutta e il suo materiale si dispone in un disco di accrescimento, si genera un laboratorio naturale in cui le condizioni estreme possono rivelare le leggi più profonde della fisica gravitazionale.

Questi eventi sono anche importanti per comprendere:

• i meccanismi di alimentazione dei buchi neri nei nuclei galattici,
• la produzione di emissioni elettromagnetiche ad alta energia,
• l’origine e la propagazione dei getti relativistici,
• il bilancio di massa e momento angolare nei sistemi compatti.

Jet relativistici e magnetoidrodinamica

Il fatto che i getti di plasma vengano emessi in modo intermittente e coerente con la precessione del disco indica che il meccanismo di collimazione è sensibile alla geometria spaziotemporale. I modelli più accreditati prevedono che campi magnetici toroidali e poloidali guidino l’emissione dei jet, e la loro interazione con un campo gravitomagnetico precessionale può spiegare l’oscillazione dell’asse dei getti.

Questa osservazione impone una revisione di alcuni modelli MHD (magnetohydrodynamic) applicati ai nuclei galattici attivi, introducendo nuove variabili legate allo spin del buco nero e alla sua inclinazione rispetto al disco.

Prospettive osservative future

La conferma sperimentale dell’effetto Lense-Thirring su scala cosmica apre nuovi orizzonti nella progettazione di missioni dedicate all’osservazione di buchi neri e TDE. Gli strumenti futuri, come ATHENA (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics) dell’ESA o Lynx della NASA, potranno sfruttare la spettroscopia ad alta risoluzione per rilevare con precisione le firme del frame dragging nei dischi di accrescimento.

Anche l’interferometria radio su larga scala, come quella impiegata nel progetto Event Horizon Telescope, potrà beneficiare di questa scoperta per interpretare variazioni angolari nei profili di emissione delle sorgenti compatte.

Una vittoria per la relatività generale

Il risultato ottenuto dal team di Inserra rappresenta uno dei più importanti successi sperimentali della relatività generale negli ultimi decenni. Non solo conferma un effetto predetto con eleganza matematica oltre un secolo fa, ma lo osserva in un contesto di gravità estrema, rotazione relativistica e alta energia, avvicinando ulteriormente la teoria alla realtà osservabile.

Il tempo trascinato nella danza dei buchi neri

Il buco nero AT2020afhd si comporta come un ballerino cosmico: ruota vorticosamente mentre il suo campo gravitazionale trascina il palcoscenico stesso su cui danza – lo spaziotempo. I segnali che riceviamo, oscillanti e coerenti, non sono altro che le onde di questa danza gravitazionale, che la fisica di Einstein aveva anticipato ma che solo ora, grazie alla tecnologia e all’ingegno scientifico, riusciamo a vedere in atto.

Questo evento segna un punto di svolta nell’astrofisica relativistica, e rappresenta un invito a esplorare ancora più a fondo i limiti della realtà fisica, là dove la materia, il tempo e lo spazio si fondono in modi che solo la natura, con la sua varietà cosmica, è in grado di concepire.