La prima foto di un buco nero: tutte le cose da sapere5 min di lettura

Il 10 aprile 2019 è stata un’importante giornata scientifica, una di quelle giornate difficili da dimenticare. Alzi la mano chi ha detto WOW.

Ieri, per la prima volta nella storia, abbiamo visto com’è fatto da vicino uno dei luoghi più inaccessibili dell’universo: un buco nero. Per la precisione, il buco nero supermassivo che si trova verso il centro della galassia M87.

A questo link trovate il comunicato stampa dell’ESO, dove trovate anche tutti gli articoli scientifici.

Il buco nero osservato ha una massa di 6,5 miliardi di volte la massa del Sole; la galassia M87 si trova a 55 milioni di anni luce da noi. Quindi, in sostanza, la foto mostra ciò che accadeva da quelle parti 55 milioni di anni fa.

L’immagine è stata ottenuta dalla collaborazione internazionale Event Horizon Telescope: oltre 200 scienziati, di diverse nazioni, hanno lavorato a questo progetto per più di 20 anni. I dati che vediamo oggi nell’immagine del buco nero sono parte delle osservazioni concluse nell’aprile 2017. La mole di dati (dell’ordine di petabyte) da analizzare era così elevata che ci sono voluti quasi due anni per arrivare allo storico annuncio. Un lavoro enorme, ma anche grandi soddisfazioni, come testimonia la foto qui sotto: è la scienziata Katie Bouman mentre emozionata guarda la prima ricostruzione in assoluto dell’immagine del buco nero di M87.

Qualche giorno fa avevo scritto un post sempre su questo blog dove vi raccontavo come si fa a ottenere un’immagine simile e consiglio la lettura di quel post prima di procede (qualora non lo abbiate già fatto). L’articolo in questione lo trovate a questo link:

Come fa Event Horizon Telescope a fotografare un buco nero

Dopo la sbornia di WOW, oggi vorrei provare a raccontarvi perché questa immagine è importante, che cosa possiamo imparare e come potrebbe cambiare il futuro dell’astrofisica. Pronti?

Questa foto conferma la teoria della relatività generale

Per prima cosa dobbiamo dire che l’immagine del buco nero di M87 è una conferma ulteriore della validità della teoria della relatività. I dati associati all’immagine sono consistenti con il fatto che ciò che è mostrato nella foto è un buco nero con un orizzonte degli eventi e che ruota in senso orario.

Per fare ciò si è fatto come sempre: si sono preparati dei modelli con vari parametri (massa, rotazione, per esempio) e si sono confrontati con i dati osservati. Guardate qui sotto le simulazioni teoriche (immagine a sinistra, fila in basso) con le osservazioni reali (immagine a destra): incredibile!

Cioè, questo vuol dire che la teoria della relatività prevede e spiega l’osservazione di questo tipo di fenomeni. Ora, magari in futuro i dati dell’Event Horizon Telescope ci diranno che con dati più accurati verrà fuori qualche discrepanza con la relatività. Sarebbe bello perché vorrebbe dire che avremmo una nuova teoria da capire (e non vorrebbe dire che dovremmo abbandonare la relatività, visto che ha funzionato finora).

Per il momento comunque la relatività se la cava alla stragrande. Complimenti Albert Einstein.

Anzi, a dirla tutta e a dire il vero, complimenti Karl Schwarzschild: Einstein tirò fuori dal cilindro la relatività, ma fu Schwarzschild a risolvere le equazioni che descrivono un buco nero. Infatti, quando si parla di buchi neri si ha spesso a che fare con il nome di Schwarzschild, come vedremo tra poco.

Che cosa c’è nell’immagine del buco nero

Dunque, al centro abbiamo una regione oscura, nel senso che non emette luce: lì dentro c’è il buco nero. Ma attenzione: quella regione oscura non è il buco nero. Il buco nero è circa al centro della zona oscura.

Il buco nero è delimitato da una regione chiamata orizzonte degli eventi. Il confine dell’orizzonte degli eventi si trova (più o meno, dipende se il buco nero ruota o meno) a una distanza dal buco nero chiamata raggio di Schwarzschild (che si indica con rs) Se si supera l’orizzonte degli eventi non è più possibile comunicare con il mondo esterno, e viceversa da fuori non è possibile comunicare con ciò che c’è oltre l’orizzonte degli eventi.

Ma l’orizzonte degli eventi, nell’immagine dell’Event Horizon Telescope, non si trova al limite della zona oscura, perché c’è dell’altro. Fuori dall’orizzonte degli eventi infatti c’è una regione chiamata sfera fotonica: si chiama così perché a questa distanza la luce (i fotoni) sono costretti a stare su orbite. La sfera fotonica si trova a una distanza pari a 1,5 raggi di Schwarzschild dal buco nero.

Nella GIF qui sotto potete vedere il significato della sfera fotonica: il cerchio scuro più interno è il buco nero delimitato dall’orizzonte degli eventi; la circonferenza più esterna è la sfera fotonica. Se inviamo dei raggi di luce (dei fotoni) verso il buco nero, vedete che ci cadono tutti dentro. Per avere un raggio che non cade nel buco nero bisogna inviarlo a una distanza di 2,6 raggi di Schwarschild dal centro (dove si trova effettivamente il buco nero).

Quindi questo vuol dire che quando guardiamo verso un buco nero, in realtà vediamo buia una regione più grande di quella che effettivamente corrisponde al buco nero e all’orizzonte degli eventi; per esempio, sempre nella GIF qui sopra, fatta per un buco nero non rotante, la regione buia si estende ben oltre l’orizzonte degli eventi fino a 2,6 raggi di Schwarzschild. Possiamo chiamare la regione scura l’ombra del buco nero: questa ombra è proprio ciò che abbiamo osservato.

E ora veniamo alla parte visibile.

Il modello che abbiamo per il nucleo della galassia M87 è quello di un disco di gas, chiamato disco di accrescimento, che ruota attorno al buco nero supermassivo, si comprime e si riscalda tantissimo (fino a temperature di qualche miliardo di gradi Celsius) e cade dentro al buco nero. Quindi dobbiamo immaginare un disco che emette luce attorno al buco nero. Con EHT abbiamo osservato la luce radio, per esempio.

Il gas in questo disco di accrescimento gira e, per quello che abbiamo misurato, gira in senso orario: quindi c’è una parte di gas che si muove tecnicamente nella nostra direzione e una parte di gas che si muove in direzione opposta. Il gas che si muove verso di noi, nell’immagine, è quello più brillante: questo effetto si chiama beaming relativistico. Quando del materiale che emette luce si muove a velocità prossime a quelle della luce, la sua luminosità apparente dipende dalla direzione del moto: l’effetto finale è che vediamo una parte del disco più luminosa dell’altra, a causa del moto del gas.

Tra l’altro, giusto per inciso, oltre al disco di accrescimento, la regione in cui si trova il buco nero supermassivo di M87 produce anche dei getti di materiale, già osservati nel 1918 dall’astronomo H.D. Curtis. Per questo motivo si dice anche che M87 ha un nucleo galattico attivo (AGN in inglese, che sta per Active Galactic Nucleus)

Ma torniamo alla foto del buco nero. La luce emessa dal gas, inoltre, subisce l’effetto di lente gravitazionale. Quando la luce attraversa una regione di spaziotempo in cui c’è un oggetto molto massivo, essa curva la sua traiettoria.

Un esempio di lente gravitazionale: la stella si trova dietro al Sole, ma il Sole con la sua massa curva lo spaziotempo. Di conseguenza anche la traiettoria della luce della stella curva e noi vediamo la stella in un’altra posizione apparente.

Siccome più un oggetto è massivo, più sarà curvo lo spaziotempo, più saranno grandi gli effetti di curvatura della luce, allora i buchi neri sono il luogo dove gli effetti di lente gravitazionale sono portati all’estremo.

Quindi, nel caso di un disco di accrescimento visto di taglio per esempio, noi vedremo la parte di disco dietro al buco nero tutta distorta a causa della lente gravitazionale.

Esempio di lente gravitazionale per il caso particolare di un disco di accrescimento visto di taglio.

Tuttavia, il disco di accrescimento del buco nero di M87 è visto praticamente di faccia (face-on si dice, cioè come se fosse un quadro appeso a un muro).

Comunque sia, studiare le caratteristiche dell’immagine del disco è un altro buon modo per testare la relatività generale: i dati dell’immagine del buco nero di M87 possono aiutarci a controllare ancora meglio se la relatività funziona bene (e per ora lo fa, ma chissà con i futuri dati).

Questo è un altro modo per testare la relatività generale: le lenti gravitazionali sono previste e descritte all’interno della teoria di Einstein e quindi i dati dell’immagine del buco nero di M87 possono aiutarci a controllare ancora meglio se la relatività funziona bene (e per ora lo fa, ma chissà con i futuri dati).

Nuovi dati, altri buchi neri

In futuro avremo sicuramente i primi dati di un altro buco nero supermassivo, quello che si trova al centro della nostra Via Lattea e che si chiama Sagittarius A* (probabilmente non prima del 2020, come riportato dalla scienziata Elisabetta Liuzzo durante una puntata di Radio3Scienza, minuto 18:20). Poi verranno aggiunti altri radiotelescopi al progetto Event Horizon Telescope; questo permetterà di campionare meglio i dati del buco nero e così aumentare la risoluzione in modo da avere immagini più nitide.

Grandi cose ci aspettano.