Stregatti cosmici e supernove a ripetizione

Quando il responsabile della forza di gravità esagera con l'LSD

 

Quando lanciamo un sasso sappiamo tutti che prima o poi cadrà, e lo farà percorrendo una traiettoria curva. Una parabola, per la precisione. La causa è la forza di gravità. Il campo gravitazionale della terra, infatti, agisce sulla massa del sasso attirandolo verso il basso mentre questo si muove. Il risultato è la classica "traiettoria del proiettile", che si trova in tutti i libri di fisica generale, e che rappresenta gioie e dolori di generazioni di studenti.

Non tutti invece sanno che la stessa cosa succede anche con la luce. I fotoni che compongono un raggio di luce trasportano energia, e siccome energia e massa, ci dice Einstein, sono quantità intercambiabili, anche un raggio di luce piega sotto l'effetto di un campo gravitazionale. Non ce ne accorgiamo, e nessuno se ne era mai accorto prima di Einstein, perché la luce viaggia troppo veloce perché l'effetto sia visibile senza misure più che accurate. Nessuno infatti si preoccupa di alzare un po' la torcia elettrica quando vuole illuminare qualcosa perché la luce piega un po' verso il basso!

Questo effetto fu ipotizzato (usando presupposti sbagliati) addirittura da Newton, e calcolato (sbagliando, anche perché si assumeva che il fotone avesse una massa) da un certo Georg von Soldner all'inizio dell'800. Esso in realtà trova piena giustificazione solo nella Teoria della Relatività Generale, formulata da Einstein nel 1915, e fu osservato sperimentalmente nel 1919 da Sir Arthur Eddington, astronomo della corte inglese che utilizzò un'eclissi di sole, quando il disco solare è oscurato, per misurare lo spostamento apparente di alcune stelle visibili giusto vicino al bordo del sole. Lo spostamento osservato, pari a quello previsto dalla Relatività Generale, era dovuto alla curvatura dei raggi di luce provenienti da quelle stelle quando passavano accanto al sole, che con il suo intenso campo gravitazionale ne deviava il cammino, seppure di poco.

In realtà pare che le misure di Eddington non fossero proprio questo capolavoro di precisione, e che l'astronomo reale abbia un po' calcato la mano nel dire che tutto tornava con le previsioni della Relatività. Fatto sta che Einstein in breve tempo divenne da scienziato noto solo agli scienziati, l'icona popolare dello scienziato genio. In ogni caso, nonostante le misure forse un po' troppo casarecce di Eddington, l'esperimento è stato ripetuto innumerevoli altre volte confermando che le previsioni della Relatività erano corrette.

Questo effetto si chiama "gravitational lensing", perché il raggio di luce è deviato da un campo gravitazionale che funge da lente. In tempi recenti, anche grazie ai moderni telescopi come Hubble, che opera fuori dell'atmosfera terrestre, il gravitational lensing è stato osservato in situazioni veramente spettacolari.

Nel 2014 è  stata osservata una nuova supernova in una galassia distante. Una supernova è una stella che, ad un certo punto della sua vita, per cause varie che non è il caso di spiegare adesso, esplode. E quando esplode lo fa in modo esagerato, diventando in pochi millisecondi, da zero a mille, incredibilmente luminosa, addirittura più luminosa della galassia intera che la ospita, rilasciando nello spazio una quantità di energia dell'ordine di 10 alla 31 bombe di Hiroshima. Nel 1054 ne esplose una che, raccontano gli annali dell'epoca, era visibile anche di giorno.  Il tutto dura per qualche settimana, poi la stella si affievolisce e diventa di nuovo invisibile senza l'aiuto di strumenti opportuni. Le supernove sono rare all'interno di una galassia, diciamo una ogni secolo, tanto per dare un numero. Ma essendoci svariate centinaia di miliardi di galassie, osservare supernove in giro per l'universo è cosa abbastanza comune.

Questa supernova del 2014, osservata nella costellazione del Leone, è esplosa più di 9 miliardi di anni fa, quando il sole, la terra e l'autore di questo blog erano molto di là da venire. La sua luce ha viaggiato per tutto questo tempo arrivando dalle nostre parti guarda caso proprio mentre il telescopio spaziale Hubble raccoglieva immagini strepitose dell'universo. E Hubble si è accorto della supernova. Ma la cosa strana è che Hubble ha registrato 4 esplosioni della stessa supernova, come si vede nella fotografia qua sotto, nell'ingrandimento (vedi le freccette con i quattro puntini, corrispondenti alla stessa supernova quadruplicata, attorno alla galassia ospite).

Il motivo è che la luce della supernova, più o meno a metà viaggio, grossomodo mentre il nostro sistema solare cominciava a formarsi, è passata nei paraggi di un ammasso di galassie chiamato col facile nome di MACSJ1149.5+2223. Questo ammasso di galassie emette un campo gravitazionale così intenso da curvare attorno a se i raggi luminosi (vedi figura qua sotto) e far apparire quello che è un punto come più punti diversi. 

Ma non basta. Gli astronomi sono convinti che la distorsione dei percorsi dei raggi luminosi provenienti da questa lontanissima stella siano tali per cui circa 20 anni fa altri raggi luminosi, sempre provenienti dallo stesso evento, cioè l'esplosione della stella stessa, siano arrivati sulla terra, in una posizione diversa rispetto a quelli visti nel 2014 (vedi cerchietto in alto nella figura). Sono quei raggi che hanno avuto la fortuna di scegliere percorsi più brevi, e che quindi sono stati meno deflessi dal gravitational lensing provocato dall'ammasso con quel bel nome facile da ricordare. Peccato che Hubble all'epoca non ci fosse, e non possiamo confermare questa ipotesi.

Ma non basta ancora. Studiando la configurazione del campo gravitazionale dell'ammasso di galassie, gli astronomi hanno previsto che fra il 2015 e il 2020, con maggiore probabilità verso l'inizio del 2016, la supernova dovrebbe apparire di nuovo, perché altri raggi luminosi in ritardo, sempre emessi nell'istante dell'esplosione, sono ancora in viaggio. Siccome stanno percorrendo strade ancora più tortuose, sempre dovute alle deviazioni imposte dal campo gravitazionale dell'ammasso di galassie, ci faranno rivedere l'esplosione della stella in differita in un altro luogo (vedi cerchietto corrispondente nella figura). Non resta che attendere. Speriamo che Trenitalia non venga a sapere del gravitational lensing, altrimenti lo include tra le spiegazioni possibili dei ritardi dei treni, assieme a "causa grande affluenza nelle stazioni precedenti" e "ritardo nella preparazione del treno".

La cosa interessante del gravitational lensing è che effetti così grandi come questo non si spiegano assumendo che la materia presente negli ammassi di galassie sia solo quella visibile, ma c'è bisogno di includere materia aggiuntiva, che non vediamo se non tramite gli effetti gravitazionali. Un'altra prova indiretta dell'esistenza della cosiddetta "materia oscura", di cui constatiamo l'esistenza ma non sappiamo di cosa sia fatta, se non che non è fatta della materia che conosciamo.

Un altro caso spettacolare di gravitational lensing è il cosiddetto ammasso di galassie Cheshire Cat, che in italiano sarebbe Lo Stregatto, il gatto di Alice nel Paese delle Meraviglie, quello che scompariva lasciando solo il sorriso a fluttuare nell'aria. E' un ammasso di galassie nella costellazione dell'Orsa Maggiore, distante 4 miliardi e mezzo di anni luce da noi, e largo un milione e mezzo di anni luce. Visto da noi, corrisponde nel cielo grossomodo alle dimensioni di un ventesimo della luna piena. Perché si chiami Stregatto, lo si capisce subito.

Il sorriso dello Stregatto, e le curve che ne delineano il viso, sono in realtà le immagini distorte di altre 4 galassie che si trovano nello sfondo, molto più distanti, e che ci appaiono tali a causa della distorsione gravitazionale operata da tutta la materia che si trova lungo il percorso sui loro raggi di luce mentre passano in prossimità dello Stregatto.

E' notizia recentissima che il satellite Chandra, che studia emissione di Raggi X dalle galassie,  ha scoperto che le due galassie principali che formano i due occhi dello Stregatto, nonché le altre galassie più piccole, si stanno avvicinando fra loro in quello che sarà uno scontro, è il caso di dirlo, "galattico".

In particolare i due occhi si stanno avvicinando uno all'altro a 500000 Km/h, e il gas fra le galassie viene compresso fino a raggiungere temperature di milioni di gradi. Per aggiungere un po' di pepe a questa banale situazione galattica, l'occhio sinistro dello Stregatto, ci dice sempre Chandra, contiene una sorgente puntiforme molto intensa di raggi X. Questa è la firma della presenza di un buco nero supermassiccio, con una massa stimata pari a quattro miliardi di soli. Circa mille volte più grande del buco nero che ospitiamo al centro della nostra Via Lattea. Sì perché dalle nostre parti, a soli 25mila anni luce da casa, abbiamo anche questo tipo di amenità. Chissà come reagirebbero quelli che hanno paura che arrivi Nibiru, pianeta che non esiste, a sapere che quando in piena estate guardano verso la costellazione del Sagittario esprimendo estatici propositi new-age, stanno in realtà guardando verso un buco nero gigantesco piazzato giusto nel centro della nostra galassia, dove la Via Lattea ci appare un turbinio di stelle. Ma soprattutto, perché imbottirsi la testa di queste idiozie quando in natura esistono cose così fantastiche?

Tornando allo Stregatto, i due occhi si fonderanno in un miliardo di anni o giù di li. Se ci sarà ancora qualcuno dalle nostre parti a guardare il cielo, a quel punto parleranno forse dell'ammasso di galassie Polifemo. Ammesso che fra un miliardo di anni a scuola si studi ancora l'Odissea.

PS. Notizia dell'ultima ora (17 dicembre 2015). La supernova Refsdal è riapparsa come previsto. L'11 dicembre scorso, con solo qualche giorno di anticipo sul 2016, il telescopio Hubble l'ha beccata sul fatto, esattamente nel punto in cui avevano previsto sarebbe apparsa. E poi c'è chi non si fida della scienza!