Come fa Event Horizon Telescope a fotografare un buco nero?4 min di lettura

Mercoledì 10 aprile 2019, nel primo pomeriggio, ci sarà un’attesissima conferenza stampa dell’ESO in cui verranno mostrati i primi risultati dell’analisi dati dell’Event Horizon Telescope (EHT, in breve).

Non sappiamo oggi esattamente che cosa verrà annunciato tra 24 ore; tutti ci aspettiamo una primissima immagine delle regioni vicinissime all’orizzonte degli eventi di un buco nero; probabilmente del buco nero supermassivo al centro della Via Lattea, buco nero che si chiama Sagittarius A* oppure del buco nero della galassia M87, molto più distante di Sagittarius A* ma anche molto più grosso.

Tutti ci aspettiamo questo tipo di notizia perché EHT è stato progettato proprio per questo motivo.

Visto che quando avremo i risultati ci sarà sicuramente molto da dire, ho preferito raccogliere in questo post come funziona EHT, così da dedicarci poi domani alla notizia in maniera più dettagliata.

Che cos’è un buco nero?

La teoria della relatività di Einstein dice che noi tutti siamo immersi in una struttura chiamata spaziotempo formata da tre coordinate spaziali e una temporale. Ogni osservatore, a seconda delle condizioni fisiche in cui si trova, misura le proprie distanze e i propri tempi, che non sono per forza gli stessi di un altro osservatore. Per condizioni fisiche si intende, per esempio, la quantità di massa che c’è nei dintorni dell’osservatore: più massa c’è, più la struttura dello spaziotempo sarà diversa da quella di un osservatore che non ha massa attorno.

Se la struttura dello spaziotempo è modificata dalla presenza di massa, si dice in gergo che quella regione di spaziotempo ha una certa curvatura. La relatività dice che più grande è la massa, più grande è la curvatura.

Un buco nero è una regione di spaziotempo che ha curvatura infinita. Si tratta di un concetto un po’ difficile da immaginare ma in sostanza bisogna pensare a una massa molto grande concentrata in uno spazio molto piccolo.

Per esempio, un buco nero supermassivo è un oggetto che può avere una massa di milioni o miliardi di volte la massa del Sole concentrata in un solo punto dello spaziotempo. Sì, è incredibile, ma queste cose esistono davvero.

Che cos’è l’orizzonte degli eventi di un buco nero?

Come dicevo prima, ogni osservatore descrive lo spaziotempo in modo relativo. Un osservatore che si trova abbastanza lontano da un buco nero non può osservare esattamente il punto in cui si trova un buco nero ma deve fermarsi a una regione chiamata orizzonte degli eventi. Per questo, anche se usassimo i più potenti mezzi tecnologici dell’universo, non aspettiamoci di vedere oltre l’orizzonte degli eventi di un buco nero. Comunque sia, la materia può superare l’orizzonte degli eventi, anche se noi non siamo in grado di vedere da lontano questo fenomeno.

Inoltre, se c’è della materia attorno a un buco nero, ciò che si osserva è un disco luminoso attorno all’orizzonte degli eventi: questo perché la gravità di un buco nero è molto grande, la materia si scalda ed emette luce.

Com’è fatto EHT?

Event Horizon Telescope è un insieme di radiotelescopi sparsi sul nostro pianeta che hanno come obiettivo quello di osservare direttamente un buco nero e di ricavare un’immagine.

I telescopi che fanno parte di EHT sono mostrati in questa mappa.

Event Horizon Telescope è fatto di radiotelescopi per un motivo molto semplice: avere una risoluzione angolare alta. Un buco nero è un punto dello spaziotempo e, anche se l’orizzonte degli eventi invece è una regione finita dello spazio, stiamo sempre parlando di un oggetto piccolo, sebbene supermassivo. In più, il buco nero Sagittarius A* è al centro della nostra galassia, quindi non proprio dietro l’angolo: è come se volessimo fotografare da Terra un’arancia sulla Luna, insomma.

La risoluzione di un telescopio è la capacità di distinguere i dettagli di una sorgente posta a una certa distanza. In generale, più è grande un telescopio più è alta la risoluzione.

L’idea che sta dietro EHT è quella di mettere insieme più radiotelescopi per aumentare la risoluzione. Siccome costruire un’antenna grande come l’Oceano Pacifico non è proprio facilissimo, allora si sfrutta una tecnica chiamata interferometria che permette di usare tanti piccoli telescopi per simulare il comportamento di un telescopio molto grande.

Event Horizon Telescope è composto di radiotelescopi perché osserverà le onde radio emesse nei dintorni dell’orizzonte degli eventi del buco nero.

Come funziona EHT? Come esce fuori una foto del buco nero?

Il principio dell’interferometria è quello di un’onda che attraversa dei fori.

In pratica, un’onda piana (segnale di partenza) quando attraversa due fori si scompone in una serie di onde sferiche che si sommano tra loro in modi diversi. Alla fine il segnale osservato sarà una roba complicata proprio somma di queste onde sferiche. Da questo segnale osservato si può risalire, con la matematica delle trasformate di Fourier per esempio, al segnale originario.

Con l’interferometria dei radiotelescopi accade una cosa simile: al posto del segnale di partenza abbiamo le onde radio provenienti dalle regioni intorno a un buco nero, i due fori sono due radiotelescopi a una certa distanza e il segnale osservato è ciò che vogliamo: l’immagine di un buco nero.

Il vantaggio è che in questo modo l’osservazione finale avrà una risoluzione pari a quella di un ipotetico telescopio grande come la distanza tra i due radiotelescopi piccoli, quindi una risoluzione molto grande.

Ma allora basta mettere due radiotelescopi lontanissimi e avere una risoluzione enorme?

E infatti non è così semplice. Questo perché una coppia di radiotelescopi è in grado di campionare solo il segnale a una certa risoluzione angolare ma…per tutte le altre scale angolari? Servono altre coppie di radiotelescopi a diverse distanze tra loro. Ecco perché di solito si ha quello che si chiama array di telescopi quando si fa interferometria radio.

Ovviamente, non abbiamo un numero infinito di radiotelescopi e quindi non possiamo campionare tutte le scale angolari. Avremo accesso solo a parte delle informazioni e quindi tocca ricostruire ciò che non osserviamo.

Il problema è che tecnicamente possono esserci più ricostruzioni associate ai dati raccolti da EHT.

A sinistra: una simulazione di come potrebbe essere realmente il buco nero.
Al centro: misure che potrebbe fare EHT sull’immagine a sinistra.
A destra: ci sono infinite ricostruzioni che vanno d’accordo con le misure.
(Crediti: https://eventhorizontelescope.org)

E quindi? Beh, non tutte le ricostruzioni hanno la stessa probabilità di essere corrette.


Un algoritmo è in grado di distinguere tra ricostruzioni più o meno probabili
(Crediti: https://eventhorizontelescope.org)

E quindi alla fine il processo di ricostruzione porta ad avere una foto, tra virgolette, del buco nero.

E alla fine ci portiamo a casa la ricostruzione più probabile, cioè la foto del buco nero. (Crediti: https://eventhorizontelescope.org)
E adesso aspettiamo il 10 aprile

L’annuncio di domani sarà storico. Si tratta di un’impresa scientifica molto importante che ci permetterà di capire molte cose. Avremo nuovi dati per testare la teoria della relatività e per provare a capire perché c’è un oggetto di 4,3 milioni di volte la massa del Sole al centro della nostra galassia o comunque oggetti di miliardi di volte la massa del Sole al centro delle galassie in generale.

Comunque domani ne parliamo su Quantizzando e sui vari social media.

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