Event Horizon Telescope vede il buco nero di Kerr della galassia M87
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I radiointerferometri di Event Horizon Telescope riescono a mostrare il bordo dell'orizzonte degli eventi del buco nero supermassivo che domina la galassia M87. Una foto destinata a segnare la storia


Fonte Astrophysical Journal Letters


Il 10 aprile viene annunciata al mondo la prima foto della storia dell'ombra di un buco nero. Il video seguente, frutto della collaborazione Event Horizon Telescope, riassume con scritte in italiano cosa stiamo per vedere.

Di seguito l'immagine divulgata durante la conferenzaa Bruxelles. 

L'ombra del buco nero supermassivo al centro della galassia M87. Crediti Event Horizon Telescope
L'ombra del buco nero supermassivo al centro della galassia M87. Crediti Event Horizon Telescope

Un secolo fa Albert Einstein pubblicò la sua Teoria della Relatività Generale, teoria che tra le altre cose prevedeva la possibile esistenza di un oggetto talmente massivo da determinare una singolarità nel tessuto dello spazio-tempo, un punto in cui le leggi della Fisica nota cessano di esistere. Una ipotesi di questo tipo, che lo stesso Einstein considerava pura speculazione, è stata a lungo al centro delle ricerche astrofisiche. Ricerche che culminano il 10 aprile 2019 con la presentazione al mondo di una serie di immagini tali da mostrare l'orizzonte degli eventi che circonda il buco nero supermassivo della galassia Messier 87, zona in cui la materia viene accelerata a velocità relativistiche emettendo radiazione sottoposta a deviazione e distorsione dalla immensa gravità del buco nero stesso.L'ombra del buco nero. Un buco nero che per la prima volta non viene derivato da misure gravitazionali degli oggetti a contorno ma che "viene visto" il più possibile, fino al punto in cui - quindi - la fisica consente di arrivare prima che anche la luce venga risucchiata dalla estrema condizione gravitazionale della zona di influenza del buco nero stesso. L'immagine è stata presentata dalla Commissione Europea, tra i finanziatori del progetto, durante una conferenza tenuta a Bruxelles in presenza del Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) e del progetto Event Horizon Telescope (EHT). La galassia ospite del buco nero si trova a 55 milioni di anni luce di distanza da noi mentre il buco nero immortalato ha una massa di circa 7 miliardi di masse solari. Ci si attendeva una immagine del buco nero della nostra Galassia, ma il buco nero di M 87 risente meno delle variazioni visibili in un oggetto estremamente più vicino come SgrA*: il tempo scala di M87 è di due giorni quindi parte del diso gira intorno al disco in due giorni circa e con osservazioni di otto ore appare un oggetto statico. SgrA* ha un tempo scala di pochi minuti e l'immagine avrebbe risentito di queste variazioni. La sua massa, inoltre, circa duemila volte maggiore di quella del nostro buco nero centrale a fronte di una distanza duemila volte maggiore, ha reso il risultato finale comparabile - in termini di dimensione - a quello che si sarebbe ottenuto riprendendo il centro della Via Lattea. Non inganni questo: le dimensioni delle quali stiamo parlando sono sempre di appena 50 microsecondi d'arco, scarsi.

Le immagini riprese quotidianamente dal 5 aprile all'11 aprile del 2017. Crediti EHT
Le immagini riprese quasi quotidianamente dal 5 aprile all'11 aprile del 2017. Crediti EHT

"Presentiamo la prima immagine di Event Horizon Telescope di M87 tramite osservazioni di Aprile 2017 a 1.3 mm di lunghezza d'onda. Queste immagini mostrano un anello con un diametro di circa 40 microarcosecondi, consistente con le dimensioni elaforma dei fotoni sottoposti a lensing che orbitano l'ombra del buco nero supermassivo. L'anello persiste nelle quattro notti di osservazione e mostra una maggior luminosità a sud. Per testare la validità dei risultati sono state implementate procedure di imaging a due stadi. Nel primo stage, quattro team - ciascuno all'oscuro del lavoro degli altri - hanno prodotto le immagini di M87 utilizzando il metodo CLEAN e una nuova tecnica. Questo stadio ha consentito di evitare errori umani e di fissare le strutture comuni rilevate da tutte le procedure. Nel secondo stadio abbiamo ricostruito i dati sintetici da una ampia survey di parametri confrontando poi i risultati con le immagini ottenute. Questo stadio ha consentito di selezionare i parametri oggettivamente nella ricostruzione delle immagini di M 87. Il diametro dell'anello e l'asimmetria sono rimasti stabili, insensibili alla scelta della tecnica utilizzata." (Astrophysical Journal Letters)

Analizzando l'immagine, due caratteristiche appaiono evidenti: 

1. la forma ovalizzata dipende dal fatto che si tratta di un buco nero in rotazione e quindi oblato dal suo stesso movimento. In più stiamo osservando un disco di accrescimento "di faccia" ma lievemente inclinato verso di noi;

2. la banda più brillante che si nota nel toro deriva da un effetto doppler boosting, dal momento che è la parte che si avvicina a noi mentre la parte opposta è quella che, nel moto circolare, si allontana.

"EHT ha mappato la radiosorgente compatta centrale della galassia ellittica M87 a 1.3 millimetri con una risoluzione angolare senza precedenti. Consideriamo le implicazioni fisiche della asimmetria dell'anello osservata nei dati del 2017 di EHT, ricostruendo una ampia libreria di modelli basati su simulazioni di magnetoidrodinamica relativistica e immagini di sintesi. Confrontiamo quanto osservato con queste librerie e confermiamo come l'anello asimmetrico sia consistente con le originali predizioni di una lente gravitazionale forte dell'emissione di sincrotrone da parte di plasma caldo orbitante vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero. Il raggio dell'anello e l'asimmetria dipendono dalla massa e dalla rotazione del buco nero, rispettivamente, ed entrambi sono considerati come dati stabili da ritrovare anche in future osservazioni. Soprattutto, le immagini sono consistenti con le aspettative per l'ombra di un buco nero rotante di Kerr come previsto dalla Relatività Generale. Se la rotazione del buco nero e i getti a larga scala sono allineati, allora il vettore di rotazione del buco nero è puntato lontano dalla Terra. I modelli della libreria relativi a buchi neri non rotanti sono inconsistenti con le osservazioni, non producendo getti sufficientemente potenti. Allo stesso tempo, nei modelli che producono getti sufficientemente potenti, gli ultimi sono alimentati dall'estrazione dell'energia rotazionale del buco nero attraverso un meccanismo riconducibile al processo Blandford-Znajek. Il lavoro considera brevemente alternative al buco nero per l'oggetto compatto centrale." (Paper 4 su Astrophysical Journal Letters

Le previsioni delle simulazioni, basate sulla Teoria della Relatività Generale, si sono dimostrate quindi decisamente perfette. 

Confronto tra la simulazione del buco nero e il risultato ottenuto.
Confronto tra la simulazione del buco nero e il risultato ottenuto.

"Presentiamo le misurazioni delle proprietà della radiosorgente centrale di M87 tramite i dati ottenuti durante la campagna del 2017. Sviluppiamo modelli di geometria crescente (anello asimmetrico con depressioni interne di luminosità) utilizzando due algoritmi di campionamento indipendenti che considerano distinte rappresentazioni dei dati visibili. Mostriamo come la famiglia crescente dei modelli sia statisticamente preferita rispetto a modelli geometrici complessi analizzati. Calibriamo i parametri dei modelli utilizzando modelli di magnetoidrodinamica relativistica generale della regione di emissione e stimando proprietà fisiche della sorgente. Le immagini ottenute dalle simulazioni vengono confrontate direttamente con i dati. Vengono comparate le regioni di emissione e i parametri del buco nero. C'è una notevole consistenza tra tutti i metodi e il set di dati. Abbiamo riscontrato che più del 50% del totale del flusso su scala di arcosecondi proviene da una zona prossima all'orizzonte degli eventi e che l'emissione viene drammaticamente soppressa internamente a questa regione, con un fattore maggiore di 10, fornendo prova diretta di quanto atteso dall'orizzonte degli eventi. Per tutti i metodi abbiamo misurato un diametro crescente di 42±3 microarcosecondi. Associando la struttura con l'emissione che circonda l'ombra del buco nero, viene ottenuto un raggio gravitazionale angolare di GM/Dc2 = 3.8 ± 0,4 microarcosecondi dando una massa del buco nero di circa 6.5-7 miliardi di masse solari. Le misurazioni sono consistenti con la presenza di un buco nero di Kerr centrale, come previsto dalla Relatività Generale" (Paper 6 Astrophysical Journal Lettershttps://iopscience-event-horizon.s3.amazonaws.com/article/10.3847/2041-8213/ab1141/The_Event_Horizon_Telescope_Collaboration_2019_ApJL_875_L6.pdf).

COME E' STATA OTTENUTA L'IMMAGINE

Una immagine del genere ha richiesto una risoluzione raggiungibile soltanto tramite una rete di radiotelescopi (interferometria) sparsi in varie parti del mondo, sincronizzati tramite orologi atomici al fine di simulare un unico gigantesco radiotelescopio con un diametro virtuale pari al diametro della Terra stessa (Very Long Base Interferometry - VLBI). Per ottenere l'immagine è stato necessario attendere che in tutti i siti di ripresa il cielo fosse sereno per quattro giorni consecutivi. L'Event Horizon Telescope (EHT) è un gruppo di otto radiotelescopi terrestri su scala planetaria, frutto di una collaborazione internazionale. Ha coinvolto oltre duecento astronomi di sessanta organizzazioni, per un investimento di oltre 44 milioni di euro. I telescopi che hanno contribuito alla ricerca sono ALMA, APEX, IRAM, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope e South Pole Telescope. In particolare i dati provenienti dal Polo Sud sono stati quelli più sofferti visto che, date le condizioni ambientali, sono giunti alla base di elaborazione soltanto dopo sei mesi, il 23 dicembre 2017.

La rete interferometrica di radiotelescopi di Event Horizon Telescope. Crediti EHT
La rete interferometrica di radiotelescopi di Event Horizon Telescope. Crediti EHT

I dati ottenuti, pari a 4 petabytes, sono memorizzati su centinaia di hard disk (un totale di sei metri cubi) centralizzati poi nelle sedi di elaborazione e sincronizzati tramite supercomputer posti al Max Planck Institute for Radio Astronomy e al MIT Haystack Observatory. Per essere certi del lavoro ottenuto, i processi di elaborazione sono stati ripetuti per ben quattro volte da parte di quattro team diversi di scienziati.

Il futuro

Oltre ad attendere l'immagine di SgrA*, la prossima sfida è ottenere immagini sempre più dettagliate in modo da testare al meglio la Relativita '. Astronomi della Radboud University, unitamente a un team ESA, stanno portando avanti un progetto consistente nel lancio di un radiotelescopio nello spazio, una missione di due o tre satelliti in orbita circolare intorno alla Terra e finalizzati alle osservazioni di buchi neri. Un progetto chiamato Event Horizon Imager (EHI). I vantaggi maggiori sarebbero espressi ovviamente in un dettaglio decisamente maggiore legato alla possibilità di effettuare osservazioni a frequenze radio maggiori, filtrate dall'atmosfera terrestre. La risoluzione sarebbe almeno cinque volte migliore rispetto a quella ottenuta da Event Horizon Telescope e sarebbe possibile immortalare anche buchi neri più piccoli. (F. Roelofs et al, Simulations of imaging the event horizon of Sagittarius A* from space, Astronomy & Astrophysics - 2019)