Ecco come il telescopio Roman osserverà l’invisibile

Il telescopio della Nasa Nancy Grace Roman sarà una preziosa risorsa per lo studio dell’universo all’infrarosso. Il suo lancio è previsto circa per il 2025. Molte sono le innovazioni che faranno di Roman un telescopio altamente avanzato dal punto di vista della tecnologia. In particolare, lo strumento sfrutterà una caratteristica della luce per rilevare nuovi buchi neri nella nostra galassia. Il punto forte del telescopio Roman è proprio questo: rilevare l’invisibile.

In quello che sembra solamente uno slogan fantascientifico in realtà c’è molto di più. Infatti, basandosi sullo studio della luce, il moderno telescopio ha l’obiettivo di visualizzare buchi neri piccoli e solitari definiti buchi neri stellari. Questi si creano quando una stella con una massa superiore alle 20 masse solari termina le sue reazioni nucleari e di conseguenza subisce il collasso del proprio nucleo.

I buchi neri hanno una forza gravitazionale talmente elevata che neanche la luce può sfuggire. Dato che sono invisibili, possiamo studiarli solamente in modo indiretto analizzando come questi influenzino il loro intorno. Ad esempio, i buchi neri supermassivi modificano le orbite delle stelle vicine e alcune interagiscono con loro generando conseguenze evidenti. Gli astronomi pensano che esistano molti buchi neri stellari caratterizzati da masse inferiori. Tuttavia questi non sono mai stati rilevati poiché viaggiano in solitario nell’universo. Quindi, non vi è nulla nel loro intorno da analizzare per rilevarli. E’ proprio questo l’aspetto su cui Roman si concentrerà per effettuare un’ incredibile ricerca.

Come si genera un buco nero stellare

Prima di concentrarci sul funzionamento di Roman, vale la pena spiegare come nascono i buchi neri. Nonostante le stelle sembrino essere eterne, hanno una quantità limitata di materia prima da bruciare. Le stelle passano la maggior parte della loro vita bruciando l’idrogeno nel loro nucleo tramite la fusione nucleare. Questo processo altamente energetico è una sorta di esplosione controllata dove le forze generate dalla gravità e dalla pressione sono in equilibrio.

Una volta che l’idrogeno viene esaurito, la stella entra nella sua fase finale. Quest’ultima fase si sviluppa diversamente in base alla massa della stella considerata. Per corpi con masse superiori alle otto masse solari, il processo finale porta la stella ad esplodere violentemente generando una supernova prima di diventare a tutti gli effetti un buco nero.

Milioni di stelle hanno subito in passato questo processo e viaggiano ora nella nostra galassia come buchi neri. Gli astronomi pensano che ci sono circa 100 milioni di buchi neri stellari nella nostra galassia. Tuttavia, solo alcuni sono stati rilevati quando hanno influenzato visibilmente il loro intorno. Gli scienziati possono intuire la presenza di un buco nero anche quando visualizzano stelle che orbitano intorno a oggetti massivi non visibili. Oppure, si può rilevarne la presenza tramite l’osservazione di potenti dischi di accrescimento che si formano attorno ad essi. Com’è possibile visualizzare invece tutti gli altri buchi neri?

Utilizzare il principio delle lenti gravitazionali per rilevare i buchi neri

A questo punto spieghiamo meglio su quale principio fisico si baserà lo studio di Roman per rilevare questi oggetti massivi. Lo strumento sfrutterà l’effetto della lente gravitazionale. Quando un oggetto massivo (come una stella), passa di fronte ad una stella più distante, dalla prospettiva dell’osservatore la luce proveniente dalla sorgente più lontana si incurva. Questo accade perché la luce proveniente da lontano, incontrerà la perturbazione spazio-temporale generata dall’oggetto massivo più vicino. Come risultato, la stella più vicina agirà come lente naturale “aumentando” ai nostri occhi la luce della stella secondaria più lontana.

Per capire meglio il concetto di come questo accada, prendiamo una situazione reale. Ponetevi al centro di un tappeto elastico. La superficie elastica del tappetto è lo spazio-tempo, ovvero la dimensione entro cui un oggetto si muove. Voi siete il corpo celeste massivo. Una volta posizionati al centro del tappeto, il vostro peso deforma la sua superficie. Allo stesso modo, un corpo celeste deforma lo spazio-tempo. Se una biglia viaggia sul tappetto verso di voi, una volta che si avvicina, risente della perturbazione della superficie causata dalla vostra presenza. Il suo moto viene influenzato dalla variazione della superficie e si incurva. Allo stesso modo la luce (rappresentata dalla biglia), quando incontra la deformazione spazio-temporale si deforma incurvandosi.

Il telescopio Roman e il rilevamento dell’invisibile

Il telescopio utilizzerà questo fenomeno per rilevare i buchi neri. Infatti, essendo questi oggetti estremamente massivi, deviano il percorso della luce proveniente da una stella più lontana. Inoltre, questo fenomeno varia apparentemente, dal punto di vista dell’osservatore, la posizione di una stella nel cielo. Questa variazione, definita come microlente gravitazionale, è estremamente piccola. Grazie alle tecnologie montate su Roman, lo strumento sarà in grado di rilevare questa minima variazione che evidenzia la presenza di un buco nero.

I segnali di microlente sono rari. Per questo motivo, gli astronomi monitoreranno milioni di stelle per lunghi periodi. La posizione di Roman nello spazio e il suo enorme campo di vista daranno l’opportunità alla comunità scientifica di osservare gli oggetti nascosti della nostra galassia come mai fatto in precedenza. Il telescopio Roman è pronto a ricercare l’invisibile!