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La foto del buco nero spiegata da chi l’ha scattata

foto buco nero

Collaborazione EHT

Il buco nero supermassiccio al centro della galassia Messier 87

*ricercatore Università di Nijmegen e Leiden (Olanda) e membro del gruppo di ricerca dell’Event Horizon Telescope

Albert Einstein aveva ragione: i buchi neri esistono e sono molto simili a come sono stati descritti nella Teoria della Relatività Generale. L’immagine che abbiamo ottenuto di M87, il buco nero supermassivo di una galassia situata a circa 50 milioni di anni luce è consistente con l’ombra di un buco nero rotante (il cosiddetto buco nero di Kerr) proprio come era stato predetto dalla Relatività Generale di Einstein.

Si tratta di una scoperta davvero importante che è frutto dell’impegno tenace portato avanti per più di un anno e mezzo da un gruppo di almeno 200 ricercatori di tutto il mondo che fanno parte dell’Event Horizon Telescope Consortium (EHTC) di cui mi onoro di far parte. Dentro questo esperimento io sono responsabile della calibrazione e validazione dei dati acquisiti.

Nel 2017 abbiamo raccolto qualcosa come 4 Petabytes (Pb) di dati (ossia 4000 Terabytes!). Abbiamo impiegato un anno e mezzo per ridurre, calibrare, validare e analizzare i dati acquisiti nel 2017 e, ovviamente, per convertirli in immagini radio delle sorgenti. Devo ammettere che inizialmente eravamo troppo ottimisti, nel senso che avevamo preventivato di avere i primi risultati entro un anno dalle osservazioni. Non è stato così.

Ci sono due ragioni fondamentali che giustificano questo “ritardo”. La prima è che abbiamo avuto bisogno di più tempo per creare tutto il software di analisi necessario, essendo la prima volta che vengono acquisiti dati di questo genere. La seconda ragione è più sottile, ma non meno importante: paradossalmente, capire in maniera estremamente dettagliata e accurata i dati dell’EHT è stato molto difficile proprio per la loro elevata qualità ma anche perché abbiamo evidenziato caratteristiche ed errori sistematici che non si sono mai visti prima (essendo “sepolte” nel rumore). Per fortuna, il radiotelescopio gigante ALMA ha giocato un ruolo fondamentale nel processo di elaborazione dei dati che d’ora in poi, cioè per la seconda serie di dati che dovremo analizzare, dovrebbe rivelare meno sorprese e procedere più speditamente.

Devo dire che in quasi vent’anni che mi occupo di Very Long Baseline Interferometry (VLBI) (Interferometria a Base Molto Ampia), non ho mai visto analizzare un insieme di dati radio con tanta scrupolosità e controlli incrociati. Qualche collega può contraddirmi se vuole, ma mi sento di affermare che questo è l’insieme di dati radio più esaminato della storia del VLBI.

L’immagine che abbiamo sviluppato a seguito dell’elaborazione dell’immensa quantità di dati raccolta ci mostra un anello con  un disco oscuro al centro e una emissione asimmetrica intorno. Le dimensioni angolari implicano una massa di circa 7 miliardi la massa del Sole: ci sono pochi dubbi che non si tratti di un buco nero.

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L’ asimmetria nell’anello si puo spiegare con un effetto relativistico, chiamato anche Doppler beaming o Doppler boosting: un plasma che si muove a velocità prossime alla velocità della luce in rotazione intorno a un buco nero, amplifica l’emissione del plasma che si muove nella nostra direzione. Il disco scuro al centro individua l’orizzonte degli eventi. Il suo aspetto dovuto al plasma che viene inghiottito e scompare. Per cui, sulla base di queste semplici ma convincenti evidenze, possiamo concludere che l’immagine che abbiamo ottenuto è consistente con l’ombra di un buco nero rotante (il cosiddetto buco nero di Kerr) proprio come era stato predetto dalla Relatività Generale di Einstein.

I buchi neri sono oggetti cosmici estremamente compressi, contenenti incredibili quantità di massa all’interno di una regione minuscola. La presenza di questi oggetti influenza il loro ambiente in modi estremi, deformando lo spazio-tempo e surriscaldando qualsiasi materiale circostante. Questi oggetti sono necessariamente circondati da materia (plasma incandescente) che viene inghiottito scomparendo nell’orizzonte degli eventi, mentre un’altra parte del materiali viene espulso a velocità relativistica (prossima cioè alla velocità della luce) in potentissimi jet di materia, dando vita alla cosiddetta emissione di sincrotrone.

foto buco nero

Ciriaco Goddi

Se immerso in una regione luminosa, come appunto un disco di gas incandescente, ci aspettiamo che un buco nero crei una regione oscura simile a un’ombra – qualcosa di previsto dalla relatività generale di Einstein che non abbiamo mai visto prima. Questa ombra, causata dalla distorsione o curvatura gravitazionale e dalla cattura della luce dall’orizzonte degli eventi, rivela molto sulla natura di questi oggetti affascinanti. 

Per confermare i risultati che abbiamo ottenuto nel corso di questo esperimento, abbiamo costruito una grande libreria di modelli basati su simulazioni conosciute in gergo come “magnetoidrodinamiche in relativita generale (GRMHD)” e da queste abbiamo poi ottenuto immagini sintetiche/simulate prodotte dall’emissione aspettata. In pratica, prima di elaborare i dati, abbiamo cercato di capire, sulla base dei modelli matematici, cosa avremmo potuto vedere nella realtà a seconda dei diversi scenari disponibili. Successivamente abbiamo confrontato le misure osservate con queste contenute nella libreria e, a seguito di questo confronto abbiamo confermato che l’anello asimmetrico è consistente con le previsioni precedenti di una forte distorsione dovuta a una lente gravitazionale dell’emissione di sincrotrone da un plasma caldo in orbita vicino all’orizzonte degli eventi del buco nero. Vuol dire che quella immagine osservata è consistente con le aspettative.

Posso affermare che le osservazioni EHT 2017 non sono consistenti con molte dei modelli di buco nero alternativi a quelli di Kerr e alcuni di quei modelli che producono immagini simili mostrano dinamiche piuttosto diverse da quello che ci aspettiamo. Osservazioni future e una modellizzazione teorica più dettagliata, combinata con osservazioni a più corta lunghezze d’onda e ad alta risoluzione angolare, e misure polarimetriche (che forniscono informazioni su campi magnetici), potranno fornire ulteriori verifiche di alternative a alla relatività di Einstein.

A un certo punto del nostro lavoro, c’è stato un workshop del gruppo responsabile per produrre immagini,  ad Harvard negli Stati Uniti a Luglio 2018. Io non ho partecipato fisicamente perchè ero impegnato su un altro fronte, ma seguivo i lavori attraverso slack una applicazione simile a whatsapp. Ed è là che sono state postate le prime immagini ottenute durante il workshop dal gruppo di lavoro. Siccome erano anni che vedevo immagini simulate (cioè non fatte di dati veri),  e queste nuove immagini ricordavano esattamente quelle simulate, chiesi il perchè stavano postando immagini simulate invece che quelle vere (dai dati veri). Al che mi risposero che non erano fake images, ma che erano le immagini vere della sorgente, dai dati che avevamo acquisito e calibrato in precedenza. Non mi ricordo se avessi risposto o no, però ricordo che rimasi un po basito, tra l’incredulo e l’estasiato, pensando fra me e me….”Oh my God, ce l’abbiamo fatta!”.

Quello che avevo davanti agli occhi era proprio la foto dell’orizzonte degli eventi, quel confine che circonda i buchi neri dove tutto ciò che passa non torna mai più indietro. Per questo motivo, l’orizzonte degli eventi è anche definito come la ”sfera di non-ritorno”. È una sorta di membrana a “senso unico” dove i fotoni (ma anche qualsiasi altra particella) possono entrare ma non fuggire, a causa dell’intensissima forza gravitazionale: è per questo che i buchi neri appaiono appunto “neri”. In realtà, i buchi neri sono completamente “neri” solo all’interno dell’orizzonte degli eventi, ma al di fuori, la luce può sfuggire. Vista la loro enorme attrazione gravitazionale, i buchi neri tendono a succhiare la materia circostante in un processo chiamato ‘accrescimento’. Questa materia circostante si riscalda attraverso la dissipazione viscosa e converte l’energia gravitazionale in radiazione elettromagnetica, irradiando luce luminosa su varie frequenze, incluse le onde radio. Queste ultime possono essere raccolte da radiotelescopi come l’EHT. Questo materiale caldo nel cadere dentro il buco nero attraversa l’orizzonte degli eventi, dando luogo ad una zona scura su uno sfondo luminoso. Per cui, ci aspettiamo di vedere una vera ‘buca’ di luce, circondata da un anello luminoso, che chiamiamo la ‘ombra’ dell’orizzonte degli eventi. È proprio quest’ombra che noi del progetto EHT abbiamo ‘fotografato’.

Perché ci interessa tanto studiare l’orizzonte degli eventi? La domanda cui in realtà vogliamo trovare risposta è la seguente: i buchi neri esistono, o sono solo un’astrazione matematica frutto di una teoria? Il problema è che finora non ne abbiamo ancora visto uno, ma ne abbiamo solo dedotto la loro esistenza attraverso teorie e indagini indirette. Con questa esperimento abbiamo dimostrato che i buchi neri esistono e sono degli oggetti reali che possono essere studiati con osservazioni astronomiche. Provare l’esistenza dei buchi neri riveste un’importanza fondamentale nella nostra concezione dell’Universo. Infatti, i buchi neri sono una delle previsioni più fondamentali della teoria di Einstein della Relatività Generale, che è la teoria che ha sostituito la teoria classica di Newton che descrive la gravità, che è la forza più importante che governa la struttura e l’evoluzione dell’intero universo.

Non sappiamo cosa ci sia oltre questo limite, dal momento che non possiamo accedervi. Materia, sicuramente sì, probabilmente compressa, o tutta concentrate nella singolarità, come nel big bang (non è forse eccitante questa prospettiva?), chi lo sa! Speculare è gratuito, dal momento che nessuno può tornare a dirci cosa c’è dentro. Tuttavia, siamo solo all’inizio e ora continueremo con le osservazioni. Abbiamo ancora da studiare in toto l’altro target, fare studi di campi magnetici da luce polarizzata di entrambi i buchi neri che abbiamo posto sotto osservazione, confrontare immagini di diverse epoche.

In futuro, vorremmo aggiungere nuovi telescopi al network (a partire dal 2020) e andare a osservare a frequenze più alte, che ci daranno una risoluzione angolare ancora migliore e che ci permetterà di guardare meglio attraverso il plasma che diventa ancora più trasparente. Entrambi gli aspetti ci permetteranno di intravvedere meglio l’orizzonte degli eventi avvolto dal plasma incandescente. E sul lungo range temporale, vorremmo andare nello spazio e usare la tecnica VLBI con satelliti, che permetterebbero di osservare a lunghezze d’onda più corte o frequenze più lunghe (che vengono filtrate dalla nostra atmosfera, rendendone impossibile l’osservazione da Terra) e avere  poteri risolutivi ancora più grandi. Insomma nel prossimo decennio saremo ancora molto occupati a migliorare le nostre misure e a testare ancora più precisamente la teoria di Einstein.

Testo raccolto e adattato da Emanuele Perugini

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