S301 non viene inghiottita da Sagittarius A* perché, pur subendo un’attrazione gravitazionale enorme, possiede una velocità orbitale sufficiente a continuare a “mancare” il buco nero. Nel punto più vicino raggiunge circa 25.000 km/s, oltre l’8% della velocità della luce, e passa a una distanza di circa 12 volte quella tra Terra e Sole. È vicinissima in termini astronomici, ma ancora molto lontana dall’orizzonte degli eventi.
In un certo senso S301 sta continuamente cadendo verso il buco nero. È proprio questa caduta a curvare la sua traiettoria. La differenza è che la stella possiede anche un’enorme velocità laterale: invece di precipitare direttamente dentro Sagittarius A*, gli gira attorno seguendo un’orbita fortemente allungata.
La nuova stella scoperta nel cuore della Via Lattea offre quindi un’occasione particolarmente efficace per capire un equivoco comune sui buchi neri: non sono aspirapolvere cosmici che inghiottono automaticamente tutto ciò che passa nelle vicinanze.
Quanto è veloce S301 e quanto si avvicina a Sagittarius A*
S301 è la stella più veloce conosciuta nella Via Lattea. Gli astronomi l’hanno osservata utilizzando GRAVITY, lo strumento interferometrico installato sul Very Large Telescope Interferometer dell’ESO in Cile.
La stella completa un’orbita intorno a Sagittarius A* in appena 8,7 anni.
La sua traiettoria è estremamente eccentrica: trascorre buona parte dell’orbita relativamente lontana dal buco nero per poi accelerare violentemente durante il passaggio più vicino.
| Caratteristica | S301 |
|---|---|
| Velocità massima | circa 25.000 km/s |
| Percentuale della velocità della luce | oltre 8% |
| Periodo orbitale | 8,7 anni |
| Distanza minima da Sagittarius A* | circa 12 UA |
| Distanza in raggi di Schwarzschild | circa 136-142 |
| Massa stimata della stella | fino a circa 1,5 masse solari |
| Eccentricità dell’orbita | circa 0,98 |
Per fare un confronto intuitivo, 12 unità astronomiche equivalgono grossomodo alla scala dell’orbita di Saturno intorno al Sole.
Eppure Sagittarius A* non è una stella: è un buco nero con una massa di circa 4,3 milioni di volte quella del Sole.
Su Tech iCrewPlay avevamo già raccontato come è stato possibile ottenere l’immagine di Sagittarius A*, ma S301 permette di osservare il nostro buco nero galattico in modo completamente diverso: non guardando direttamente ciò che gli sta attorno, ma studiando come la sua gravità modifica il movimento di una stella.
Perché S301 non cade nel buco nero?
La risposta più semplice è che orbitare significa già cadere.
Anche la Terra sta continuamente cadendo verso il Sole. Se fosse immobile rispetto al Sole, la gravità la farebbe precipitare verso di esso. Ma la Terra possiede una velocità laterale sufficiente a far sì che, mentre cade, continui a mancare il Sole.
Il risultato è un’orbita.
Con S301 accade qualcosa di concettualmente simile, anche se il campo gravitazionale è enormemente più intenso e gli effetti relativistici non possono più essere ignorati.
La gravità di Sagittarius A* accelera la stella mentre si avvicina. S301 raggiunge la massima velocità al pericentro, cioè nel punto dell’orbita più vicino al buco nero. Poi continua lungo la propria traiettoria e comincia ad allontanarsi, rallentando progressivamente.
Quindi non esiste un punto generico oltre il quale un buco nero “risucchia” inevitabilmente qualsiasi corpo vicino.
Il confine decisivo è molto più interno.
S301 è vicina al buco nero, ma non all’orizzonte degli eventi
Qui le distanze possono trarre in inganno.
Dodici volte la distanza Terra-Sole sembra pochissimo se paragonato alle dimensioni della Via Lattea, ma l’orizzonte degli eventi di Sagittarius A* è enormemente più piccolo.
Secondo lo studio pubblicato su Nature sulla scoperta di S301, le due possibili ricostruzioni tridimensionali dell’orbita collocano il passaggio minimo rispettivamente a circa 136 e 142 raggi di Schwarzschild dal buco nero.
L’orizzonte degli eventi è quindi ancora molto più interno rispetto alla traiettoria della stella.
Ed è questo il punto fondamentale: essere vicini a un buco nero non significa automaticamente aver superato il punto di non ritorno.
Fuori dall’orizzonte degli eventi possono esistere orbite. Gas, stelle e altri oggetti possono muoversi intorno al buco nero senza essere immediatamente inghiottiti.
Ma Sagittarius A* potrebbe distruggere S301 con la sua gravità?
Nemmeno questo sembra accadere durante l’attuale passaggio orbitale.
Avvicinandosi molto a un buco nero, un oggetto non deve preoccuparsi soltanto dell’orizzonte degli eventi. Esistono anche le forze mareali, cioè la differenza nell’attrazione gravitazionale esercitata sulle diverse parti dello stesso corpo.
Se la differenza diventa abbastanza grande, una stella può essere deformata e infine distrutta.
È il fenomeno alla base degli eventi di distruzione mareale osservati attorno ad alcuni buchi neri.
S301, però, è una stella relativamente compatta della sequenza principale. Lo studio stima un raggio compreso all’incirca tra 1,4 e 1,6 volte quello del Sole.
Per una stella di queste caratteristiche, la distanza alla quale Sagittarius A* inizierebbe a distruggerla per effetto delle forze mareali è di circa 10 raggi di Schwarzschild.
S301 passa invece a circa 140.
È quindi molto vicina, ma ancora abbastanza lontana da non essere fatta a pezzi.
Se al posto di S301 ci fosse una grande stella gigante, la situazione potrebbe essere molto diversa: un astro molto più esteso potrebbe iniziare a perdere materiale a distanze maggiori.
Allora perché S301 corre a 25.000 km/s?
Perché l’energia orbitale cambia continuamente durante il suo percorso.
Quando la stella è lontana da Sagittarius A*, si muove più lentamente. Avvicinandosi, la gravità del buco nero la accelera sempre di più.
Il massimo viene raggiunto durante il passaggio al pericentro.
A quel punto S301 arriva a circa 25.000-25.600 km/s, a seconda della soluzione orbitale considerata dagli astronomi.
È una velocità difficilissima da visualizzare: in un secondo percorrerebbe una distanza equivalente a più di metà della circonferenza terrestre.
Ma quella velocità non la sta semplicemente trascinando verso il buco nero. Una componente fondamentale del suo movimento è diretta lungo l’orbita.
Subito dopo il passaggio ravvicinato, S301 riparte verso l’esterno e la sua velocità diminuisce.
Il buco nero modifica comunque l’orbita di S301
Che la stella non cada dentro Sagittarius A* non significa che possa ignorarne gli effetti.
Al contrario.
S301 passa talmente vicino al buco nero che la relatività generale modifica in maniera misurabile la sua orbita.
La traiettoria non dovrebbe ripetersi formando sempre la stessa ellisse perfettamente chiusa. Il punto di massimo avvicinamento cambia leggermente a ogni giro a causa della cosiddetta precessione di Schwarzschild.
Per S301 l’effetto previsto è enorme rispetto alle normali orbite planetarie: circa 1,9-2 gradi per rivoluzione.
In altre parole, dopo ogni giro di 8,7 anni l’ellisse orbitale risulta leggermente ruotata.
È proprio questa sensibilità alla gravità estrema che rende la stella scientificamente molto più interessante del semplice record di velocità.
S301 potrebbe permetterci di misurare la rotazione del buco nero
C’è poi un secondo effetto ancora più sottile.
Un buco nero rotante non curva soltanto lo spaziotempo a causa della propria massa. La sua rotazione trascina leggermente lo spaziotempo circostante.
Questo fenomeno prende il nome di effetto Lense-Thirring o frame dragging.
Immaginarlo non è semplice. Una possibile analogia è pensare a un oggetto che ruota all’interno di un fluido molto denso e trascina leggermente ciò che gli sta intorno. Nel caso di un buco nero, però, non viene trascinato un fluido: è la geometria stessa dello spaziotempo a essere influenzata.
L’effetto è minuscolo a grandi distanze.
S301 passa però sufficientemente vicino a Sagittarius A* da poter diventare sensibile anche a questa alterazione.
Per questo la sua orbita potrebbe consentire agli astronomi di misurare dinamicamente la rotazione di Sagittarius A* nel corso dei prossimi anni.
È particolarmente interessante perché le stime attuali dello spin del nostro buco nero dipendono da tecniche differenti. In passato abbiamo analizzato anche lo studio basato sui dati Event Horizon Telescope secondo cui Sagittarius A* potrebbe ruotare molto rapidamente.
S301 potrebbe offrire una verifica completamente diversa: osservare direttamente come la rotazione del buco nero modifica il percorso di una stella.
Cosa rende S301 diversa dalla famosa stella S2
Prima di S301, uno degli strumenti naturali migliori per studiare Sagittarius A* era S2.
S2 completa un’orbita in circa 16 anni ed è stata utilizzata per mettere alla prova alcune conseguenze della relatività generale vicino al centro galattico.
S301 porta però l’esperimento a un livello differente.
| S301 | S2 | |
|---|---|---|
| Periodo orbitale | circa 8,7 anni | circa 16 anni |
| Distanza minima | circa 140 raggi di Schwarzschild | circa 1.400 raggi di Schwarzschild |
| Velocità massima | circa 25.000 km/s | molto inferiore a S301 |
| Sensibilità allo spin di Sagittarius A* | elevata | molto più debole |
S301 passa quindi circa dieci volte più vicino al buco nero rispetto a S2.
Ed è proprio questo salto di scala a rendere realisticamente osservabile un effetto che con S2 richiederebbe tempi molto più lunghi.
Da dove arriva una stella con un’orbita così estrema?
Rimane un’altra domanda: come ha fatto S301 a ritrovarsi su una traiettoria del genere?
Una delle spiegazioni più interessanti coinvolge il cosiddetto meccanismo di Hills.
Secondo questa ipotesi, S301 faceva originariamente parte di un sistema binario formato da due stelle.
Il sistema si sarebbe avvicinato troppo a Sagittarius A*. La gravità del buco nero avrebbe separato violentemente le due stelle:
- una sarebbe stata catturata;
- l’altra sarebbe stata scagliata via ad altissima velocità.
S301 sarebbe la componente rimasta intrappolata.
La sua compagna potrebbe invece essere diventata una stella iperveloce, potenzialmente capace di attraversare la Via Lattea e perfino di abbandonarla.
Lo studio sottolinea che l’eccentricità estrema dell’orbita di S301 è coerente con questo scenario, anche se ricostruirne completamente la storia richiederà nuove osservazioni.
S301 cadrà un giorno dentro Sagittarius A*?
Le osservazioni attuali non indicano che S301 stia precipitando verso Sagittarius A*.
La stella segue un’orbita legata e gli studiosi non descrivono il sistema come una spirale rapida verso l’orizzonte degli eventi.
Questo non significa che la sua traiettoria resterà identica per sempre. Nel centro galattico esistono altre stelle, oggetti compatti e probabilmente numerosi buchi neri stellari capaci, su tempi astronomici molto lunghi, di perturbare le orbite.
Ma non è questo ciò che stiamo osservando oggi.
Il prossimo obiettivo degli astronomi non è assistere alla distruzione di S301, bensì usarla come una sonda naturale della gravità di Sagittarius A*.
Nei prossimi passaggi orbitali GRAVITY+, insieme al futuro Extremely Large Telescope dell’ESO, dovrebbe permettere di seguire la stella con una precisione ancora maggiore.
Ed è qui che il record dei 25.000 km/s diventa quasi secondario.
S301 è importante non soltanto perché corre più velocemente di qualsiasi altra stella conosciuta nella Via Lattea, ma perché passa abbastanza vicino a un buco nero supermassiccio da permetterci di osservare come la rotazione del buco nero deforma lo spaziotempo, restando allo stesso tempo abbastanza lontana da sopravvivere.
