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EHT: uno sforzo planetario per fotografare un buco nero

Predicato quasi un secolo fa dalla teoria della relatività generale di Einstein, i buchi neri non solo esistono, ma in realtà alimentano alcuni dei fenomeni più estremi dell’Universo. L’Event Horizon Telescope (EHT) è uno sforzo globale per costruire un array di telescopi virtuali di dimensioni terrestri, in grado di “fotografare” in realtà i buchi neri supermassicci. Ha avuto la sua prima esecuzione completa nell’aprile 2017 e annuncerà i risultati oggi.

Breakthrough discovery in astronomy: press conference

Che cosa sono i buchi neri? Sappiamo, perché da Stephen Hawking in poi sono un tema caldo dell’astrofisica, che un buco nero è un “oggetto” di massa straordinariamente elevata la cui forza di gravità impedisce la fuoriuscita a qualunque cosa abbia catturato.Oggi ci sarà in diretta la conferenza dell’Eso: in studio, oltre agli interpreti per la traduzione simultanea dall’inglese, ci saranno Luigi Bignami, nostro divulgatore scientifico, e Massimo Dotti, astrofisico – per commentare l’annuncio e guidare gli spettatori in un viaggio nella storia delle teorie e delle ricerche sui buchi neri.

La diretta inizia alle 14:30 e, in replica, andrà in onda alle 23:15.Ciò non toglie che ogni volta che si dice “è stato osservato un buco nero”, in realtà si vuol dire che sono stati visti gli effetti di quell’oggetto sulla materia e sui gas che lo circondano, e sulla luce, quando gli passa accanto, perché devia dalla sua traiettoria. C’è un’immagine? Il sogno di tutti gli astrofisici sarebbe quello di poterne osservare uno da vicino, ma non potendo sarebbe già sufficiente vedere il loro orizzonte degli eventi, ossia quel confine superato il quale nulla può tornare indietro (e dunque nulla può essere visto).

È però proprio di questi giorni la notizia di un comunicato congiunto dell’European Southern Observatory (ESO), del Consiglio europeo della ricercae dell’Event Horizon Telescope(EHT): mercoledì 10 aprile 2019, alle 15:00 ora italiana, verrà dato un importante annuncio, definito “rivoluzionario”.Molti ricercatori ritengono che possa trattarsi di “una immagine di un orizzonte degli eventi di un buco nero”, forse ad opera di un team internazionale di scienziati che da oltre un anno lavorano utilizzando una rete di telescopi terrestri proprio con lo scopo di isolare un orizzonte degli eventi. Tra l’altro, da anni l’Event Horizon Telescope punta al cuore della Via Lattea per cercare di ottenere un’immagine della posizione di Sagittario A*, un buco nero con una massa stimata in 4 milioni di volte quella del Sole, al centro della Via Lattea.

Sagittarius A
Il passaggio della stella S2 in prossimità del buco nero che regna nel cuore della Via Lattea, Sagittarius A*, ha permesso di capire meglio le caratteristiche del “nostro” buco nero: vedi l’alba di una nuova fisica. | ESO

Nell’ambiente l’eccitazione è tangibile: certo potrebbe essere qualunque altra cosa, ma se davvero fosse invece ciò che i ricercatori si aspettano, sarebbe un fondamentale punto di svolta per l’astrofisica. L’ESO ha annunciato una conferenza web globale, trasmessa in streaming dall’ESO e via YouTube e altri social network, mentre “sei importanti conferenze stampa si terranno simultaneamente in Belgio (Bruxelles, in inglese), Cile (Santiago, in spagnolo), Shanghai (in mandarino), Giappone (Tokyo, in giapponese), Taipei (in mandarino) e Stati Uniti d’America (Washington, DC, in inglese)”, si legge nel comunicato. Sembra proprio la vigilia di un evento decisamente importante.

Questo video time-lapse dello strumento NACO sul Very Large Telescope dell’ESO in Cile mostra stelle in orbita attorno al buco nero supermassiccio Sabittarius A che si trova nel cuore della Via Lattea per un periodo di circa 20 anni.

(EHT) Event Horizon Telescope

L’Event Horizon Telescope ( EHT ) è un progetto internazionale di studio che ha l’obiettivo di studiare l’ambiente circostante Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio situato al centro della Via Lattea. A tal fine è stato predisposto un sistema composto da più radiotelescopi collegati mediante la tecnica di Interferometria a Base Molto Ampia (VLBI) che consente di ottenere una risoluzione angolare in grado di differenziare l’orizzonte degli eventi del suddetto buco nero e sincronizzare i dati provenienti dalle singole stazioni riceventi appartenenti alla rete. I primi dati dovrebbero essere disponibili per i primi mesi del 2019.

Lo studio mediante radiotelescopi sopperisce all’osservazione ottica resa difficoltosa dalle nubi di polveri e gas che circondano il centro della galassia. Poiché anche le onde radiorilevate dai singoli osservatori sono ostacolate da nubi di gas ionizzato, si rende necessaria una rete sub-millimetrica collegata in VLBI, la cui tecnologia è molto recente.

Panoramica: L’EHT è composto da una rete di radiotelescopi distribuiti sul globo avente come risultante un unico radiotelescopio ad alta sensibilità ed alta risoluzione angolare. Utilizzando la tecnica della Very Long Baseline Interferometry (VLBI), molte antenne radio indipendenti distanti tra esse migliaia di chilometri possono essere utilizzate in un sistema sincrono per creare un telescopio “virtuale” avente come apertura effettiva la distanza tra le stazioni riceventi più lontane.

Il progetto comprende lo sviluppo e l’impiego di ricevitori ad onde sub-millimetriche a doppia polarizzazione, con standard di frequenze estremamente stabili che consentono interferometria VLBI a 230–450 GHz, registrazione e back-end (amplificazione e filtraggio dei segnali) a maggiore larghezza di banda, oltre alla messa in opera di nuovi osservatori VLBI sub-millimetrici.

Dalla sua prima acquisizione di dati nel 2006, al gruppo iniziale di osservatori costituenti il progetto EHT si sono progressivamente aggiunti altri centri che hanno dato luogo ad una rete globale di radiotelescopi.

Ricerca intorno a Sagittarius A*: Il primo tentativo di rilevamento diretto dell’ombra di Sagittarius A*, il buco nero che presumibilmente risiede al centro della nostra galassia a circa 26mila al, è avvenuto ad aprile 2017 , grazie ad otto osservatori sparsi per il Mondo, tra cui l’ALMA ed il South pole Telescope, che hanno funzionato come un unico telescopio in modalità interferometrica. L’EHT è stato puntato nella direzione di Sagittarius A* operando ad una lunghezza d’onda di 1.3 mm, corrispondente ad una frequenza di circa 230 Ghz, che ha consentito di oltrepassare le nubi dense di materiale (gas e polveri) interstellare.

I dati raccolti dai vari telescopi sono stati in seguito inviati ed elaborati all’osservatorio Haystackdel MIT a Boston, Massachusetts (USA), dove sono stati sottoposti a controlli incrociati e analizzati da un elaboratore composto da circa 800 CPU collegate da una rete a 40 Gbit/s. I dati del South Pole Telescope si sono resi disponibili solo a dicembre 2017, a causa dell’impossibilità di essere trasportati via cargo.

Il progetto è finalizzato anche allo studio delle anomalie gravitazionali, dei getti di plasma e delle leggi che regolano la meccanica quantistica in contrapposizione alle forze relativistiche che contraddistinguono i grandi oggetti del cosmo.

Che cosa è l’orizzonte degli eventi

Un errore molto comune è quello di immaginare l’orizzonte degli eventi di un buco nero come una superficie statica di forma più o meno sferica. Quello che è invece bene tenere presente è che si tratta di un orizzonte a tutti gli effetti, ovvero di qualcosa di non raggiungibile e che si allontana all’avvicinarsi di un osservatore (esattamente come l’orizzonte terrestre).

Osservatori arbitrariamente distanti rispetto al buco nero saranno tutti concordi nel misurare una stessa superficie sferica di dimensione finita, apparentemente statica, nera, più o meno grande, unicamente in funzione della massa del buco nero (è più o meno la situazione in cui ci troveremo probabilmente molto presto se, come si spera, si riuscirà a osservare direttamente l’orizzonte degli eventi di Sagittarius A*, il cui diametro è stimato in 44 milioni di chilometri: tutti gli osservatori che, come noi, si trovassero a una distanza apprezzabile dal buco nero vedrebbero la stessa sfera nera dal raggio pari a 44 milioni di chilometri). Ma le cose cambiano notevolmente quando la distanza dal buco nero diventa non trascurabile.

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Lontano dal buco nero una particella può muoversi in qualsiasi direzione, come illustrato dalla serie di frecce. Il movimento è limitato solo dalla velocità della luce.
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Più vicino al buco nero lo spazio-tempo inizia a deformarsi. Ci sono più sentieri che vanno verso il buco nero rispetto a percorsi di allontanamento.
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All’interno dell’orizzonte degli eventi tutti i percorsi portano la particella più vicino al centro del buco nero. La particella non può più sfuggire.

Apparentemente questo indurrebbe a pensare alla possibilità di “calare” una corda (o un’asta) con un astronauta appeso per attraversare l’orizzonte (o almeno quello che osservatori distanti identificano come tale) e riportare quanto visto. La cosa potrebbe sembrare apparentemente fattibile soprattutto per quanto riguarda i buchi neri supermassicci, dove la gravità superficiale può raggiungere valori persino più bassi di quella terrestre (la gravità superficiale dei buchi neri è inversamente proporzionale alla loro massa – ma attenzione: per raggiungere la gravità superficiale terrestre, un buco nero dev’essere davvero mostruoso: 1,55 trilioni di masse solari e mezzo anno luce di diametro). Nella realtà però tutto ciò non è possibile.

La distanza dell’osservatore dall’orizzonte, seppur grande, è finita: così anche la lunghezza della corda dovrà essere finita. Ma se la corda è stata calata lentamente (in modo che ciascun punto della corda resti approssimativamente a riposo rispetto alle coordinate di Schwarzschild), l’accelerazione propria (forza-G) sperimentata dai punti della corda più vicini all’orizzonte si avvicinerà all’infinito rispetto all’osservatore, per cui la corda si lacererà.

Se invece la corda è stata calata rapidamente (o in caduta libera), effettivamente l’astronauta sul fondo della corda potrà toccare e anche attraversare l’orizzonte degli eventi. Ma una volta che questo accadesse sarebbe impossibile estrarre nuovamente il fondo della corda fuori dell’orizzonte degli eventi, dal momento che quando la corda venisse tesa, le forze lungo la corda aumenteranno senza limite all’avvicinarsi all’orizzonte degli eventi e prima o poi la stessa dovrà rompersi. La rottura inoltre non avverrà oltre l’orizzonte degli eventi, ma in un punto in cui l’osservatore può ancora osservare.

È possibile fare un altro esempio. Immaginiamo un buco nero così grande da avere una gravità superficiale pari a quella terrestre. Si potrebbe immaginare di dotare l’astronauta di un potente razzo che lo tenga esattamente in equilibrio appena sopra l’orizzonte. Sfortunatamente neanche questo funzionerebbe. Immaginiamo di calarlo con la nostra fune fino a qualche metro sopra l’orizzonte degli eventi e una volta lì, l’astronauta accenderà il suo razzo.

L’osservatore esterno noterà però che il razzo dell’astronauta, una volta avvicinato sufficientemente all’orizzonte degli eventi, non avrà più la stessa potenza di prima. L’accelerazione di 1g necessaria a tenerlo a galla si sarà ridotta notevolmente per via della dilatazione temporale: lo scarico del propellente sembrerà avvenire a una velocità notevolmente ridotta, fino a fermarsi del tutto in prossimità dell’orizzonte. Il destino dell’astronauta sarebbe quindi comunque segnato.

Per quanto riguarda invece il punto di vista dello sfortunato astronauta che si troverà ad attraversare l’orizzonte degli eventi le cose appariranno completamente diverse. Utilizzando la matematica l’astronauta potrà calcolare il momento esatto in cui l’osservatore distante lo vedrà svanire al di là dell’orizzonte degli eventi. Ma non sperimenterà nulla di speciale, per lui si tratterà di un momento come un altro e non attraverserà nessun “sipario” nero. In termini di esperienza visiva, un osservatore in caduta libera dentro un buco nero vedrà una regione nera sotto di lui a una distanza apparentemente fissa, irraggiungibile, che lo accompagnerà per tutta la caduta (anche se per l’osservatore distante avrà già attraversato tale orizzonte).

Egli continuerà a vedere l’osservatore distante finché glielo consentiranno le forze di marea, anche se la distanza aumenterà progressivamente (sarà lo stesso spazio a dilatarsi molto rapidamente lungo la dimensione radiale) e l’osservatore distante non vedrà mai più lui. Eventuali altri oggetti che avessero attraversato l’orizzonte lungo lo stesso percorso radiale ma appena un attimo prima avranno sempre la stessa posizione sopra l’orizzonte. E se fossero abbastanza vicini all’osservatore potrebbero scambiare messaggi con lui. Tutto ciò all’interno dell’orizzonte degli eventi.

Non si sa quale sarà il destino ultimo dell’astronauta in caduta libera. L’impatto con la singolarità gravitazionale al centro non avverrà mai, perché richiederebbe tempo infinito secondo il suo sistema di riferimento. L’unico evento degno di nota (e fatale) sarà l’aumento smisurato delle forze di marea. Procedendo nella caduta, la spaghettificazione sarà infatti un processo inarrestabile: mantenere uniti due punti disposti lungo il raggio del buco nero richiederà un’energia tendente all’infinito man mano che la caduta libera prosegue.

E poiché la caduta non avrà mai fine e il movimento orizzontale lungo la circonferenza del buco nero sarà sempre possibile, da un certo momento in poi la materia (o quel che ne resta) comincerà ad avere effettivamente due sole dimensioni di libertà (non più tre) più il tempo. Si tratta a tutti gli effetti della rimozione di una dimensione spaziale. Il momento formale in cui ciò avviene coincide col momento esatto in cui la velocità di fuga indotta dalle forze di marea tra due punti arbitrariamente vicini lungo la dimensione radiale supererà la velocità della luce. Si tratta di un evento molto simile (anche se circoscritto a una sola dimensione spaziale) a quello che si ipotizza in uno dei possibili scenari che descrivono la fine dell’universo: il Big Rip.

prima immagine di un buco nero
10 aprile 2019 La Prima immagine di un buco nero

Si tratta tuttavia di un processo graduale. Dovrebbe esistere una zona, oltre l’orizzonte degli eventi per gli osservatori esterni (e quindi di fatto “al di fuori” del nostro Universo) e molto prima che le forze di marea arrivino a rimuovere la dimensione spaziale parallela al raggio del buco nero in cui le leggi fisiche sono le stesse leggi che conosciamo.

Tanto più è grande il buco nero e tanto più sarà vasta tale zona. Se qualcuno potesse osservare la fine delle tre dimensioni (ma siamo ben oltre la sopportabilità fisica delle enormi forze di marea) noterebbe la comparsa di un orizzonte nero dietro di sé che si andrà ad aggiungere a quello che si trova di fronte (orizzonte di marea), e i due orizzonti tenderanno ad avvicinarsi sempre più rapidamente fino a schiacciare lo spazio su un piano.

L’osservatore noterà inoltre che prima che tutto ciò avvenga entrambi gli orizzonti cominceranno ad attrarre gli oggetti in caduta libera accanto a lui verso l’uno o verso l’altro a seconda di dove si trovino più vicino. Egli però, fin quando questi non si saranno congiunti, si troverà sempre al centro tra i due orizzonti (immaginando l’osservatore puntiforme: come abbiamo detto nessun corpo potrebbe resistere a questa fase della caduta).

Questo avviene perché lo spazio lungo la dimensione radiale si sta espandendo sempre più velocemente, e poiché più un oggetto sarà distante, più l’espansione dello spazio sarà rapida, oltre una certa distanza la luce stessa non riuscirebbe a raggiungere l’osservatore (si tratta di un orizzonte del tutto analogo all’orizzonte degli eventi cosmico); la stessa dilatazione, infine, è in accelerazione, quindi gli orizzonti si avvicineranno sempre più.

Se non esistessero le forze di marea la caduta libera in un buco nero sarebbe semplicemente un eterno viaggio a gravità zero privo di eventi significativi.

Quanto detto finora riguarda casi ideali molto semplici, di buchi neri neutri e non rotanti (detti buchi neri di Schwarzschild). La dinamica dei buchi neri carichi e rotanti (buchi neri di Kerr-Newman) è molto più complessa, al punto che qualcuno ha proposto che, giunti molto in profondità, le dimensioni fisiche cambino nuovamente. ciò avverrebbe oltre l’orizzonte di Cauchy, che si trova ancora più internamente rispetto all’orizzonte degli eventi. È stata inoltre avanzata l’ipotesi della possibilità di complesse orbite stabili a forma di elica all’interno dell’orizzonte degli eventi dei buchi neri di Kerr-Newman.

Non tutti i raggi di luce prodotti dalla materia che sta cadendo in un buco nero sono intrappolati dall’orizzonte degli eventi, una regione dello spazio-tempo dalla quale nulla può sfuggire. Alcuni di questi fotoni riescono a raggiungerci, dandoci la possibilità di sbirciare cosa succede in prossimità di queste affascinanti singolarità. Quando si osserva un buco nero è pertanto possibile vedere un’ombra, che oscura parte dell’emissione sullo sfondo. La dimensione e la forma di questa ombra dipenderanno sia dalle proprietà del buco nero sia dalla teoria della gravità.

orizzonte degli eventi
Immagini di ombre simulate di Sgr A * per un buco nero di Kerr (riga superiore) e un buco nero di tipo dilatonico (riga inferiore). Il pannello di sinistra si riferisce all’immagine prodotta dalle simulazioni magnetoidrodinamiche nell’ipotesi di relatività generale, mentre il pannello di destra si riferisce all’immagine ricostruita dopo aver considerato le condizioni osservative realistiche. Crediti: Fromm/Younsi/Mizuno/Rezzolla (Frankfurt)

Poiché le più grandi deviazioni dalla teoria della relatività di Einstein sono attese molto vicino all’orizzonte degli eventi, e poiché le teorie della gravità alternative fanno previsioni diverse sulle proprietà dell’ombra, le osservazioni dirette di Sgr A* rappresentano un approccio molto promettente per testare la gravità nel regime più forte.

Realizzare tali immagini dell’ombra del buco nero è l’obiettivo principale della Event Horizon Telescope Collaboration (Ehtc), che combina i dati radio dei telescopi di tutto il mondo. Gli scienziati del team BlackHoleCam in Europa, che fanno parte della collaborazione Ehtc, hanno fatto un ulteriore passo avanti e hanno studiato se sia possibile distinguere un buco nero di Kerr da un buco nero dilatonico, che è una possibile soluzione di una teoria alternativa della gravità. Ne abbiamo parlato con uno di loro, Luciano Rezzolla, fisico e ricercatore presso l’Istituto di studi avanzati di Francoforte (Fias), nonché professore di astrofisica teorica alla Goethe University di Francoforte.

Nel vostro lavoro vi siete proposti di capire se sia possibile distinguere tra due diversi buchi neri.  Per capirlo, avete simulato l’evoluzione della materia in questi due buchi neri, partendo dalle stesse condizioni iniziali, al fine di ottenere l’immagine che vedrebbe Eht, tenendo conto delle caratteristiche strumentali con le quali l’osservazione viene fatta. Cosa avete concluso?

«La collaborazione internazionale Event Horizon Telescope, di cui il progetto BlackHoleCam fa parte, cerca in primo luogo di determinare se, attraverso le osservazioni del centro galattico, ci sia o meno evidenza di un’ombra (shadow) e quindi dell’esistenza di un orizzonte degli eventi. Nel caso in cui venga rilevata la presenza di un orizzonte degli eventi, la domanda successiva alla quale vorremmo dare una risposta è “questo orizzonte degli eventi, di che buco nero è?”.

Questo perché non ci sono solo i buchi neri previsti dalla relatività generale, ma anche altri tipi di buchi neri ipotizzati da teorie alternative alla relatività generale di Einstein. Rispondere a questa domanda non è banale, perché in genere si eseguono sofisticate simulazioni di flussi di accrescimento su un buco nero utilizzando la teoria di Einstein al fine di ottenere delle predizioni sul tipo di immagine che gli esperimenti dovrebbero misurare.

La Prima immagine di un buco nero
10 aprile 2019 La Prima immagine di un buco nero

Il nostro approccio, invece, è stato quello di fare due simulazioni: una standard, nell’ambito della relatività generale, e una in un’altra teoria, che è quella che dà vita a un buco nero di tipo dilatonico.  Questo è stato possibile solo grazie ad un grosso sforzo teorico per eseguire queste simulazioni in questi spazi-tempi diversi dalla relatività. Il gruppo di Francoforte è l’unico al mondo in grado di fare questo tipo di simulazioni».

Riferimenti

  1. Event Horizon Telescope (EHT)- https://eventhorizontelescope.org
  2. https://arxiv.org/abs/0801.1734 “Volume interno di un Buco Nero” Archivio Pubblicazioni Università Cornell
  3. Viewing the Shadow of the Black Hole at the Galactic Center
  4. Polarimetric Imaging of the Massive Black Hole at the Galactic Center
  5. Dennis Overbye, Black Hole Hunters, in NASA, 8 giugno 2015. 
  6. Dennis Overbye, Jonathan Corum e Jason Drakeford, Video: Peering Into a Black Hole, in New York Times, 8 giugno 2015, ISSN 0362-4331 (WC · ACNP)
  7. Fotografia del buco nero? Non prima del 2019, su media.inaf.it, 9 ottobre 2018.
  8. Ian O’Neill, Event Horizon Telescope Will Probe Spacetime’s Mysteries, in Discovery News, 2 luglio 2015.
  9. MIT Haystack observatory
  10. Jonathan Webb, Event horizon snapshot due in 2017, in BBC News, 8 gennaio 2016. URL consultato il 24 marzo 2016.
  11. Seth Fletcher, Astronomers Will Try to Take the First Picture of a Black Hole Next Year, in Scientific American Blog Network. 
  12. Le prime immagini di un buco nero con EHT, su pollucenotizie.net (archiviato dall’url originale il 22 febbraio 2017).
  13. Lucas Mearian, Massive telescope array aims for black hole, gets gusher of data, in Computer World, 18 agosto 2015. 
  14. This Year, We’ll See a Black Hole for the First Time in History, su http://sciencetechworld.com/, 
  15. Former ALMA Prototype Antenna Finds New Life as Greenland Telescope, su nrao.edu, 
  16. Nature Astronomy – “The current ability to test theories of gravity with black hole shadows” di Yosuke Mizuno, Ziri Younsi, Christian M. Fromm, Oliver Porth, Mariafelicia De Laurentis, Hector Olivares, Heino Falcke, Michael Kramer e Luciano Rezzolla
  17. La gravità superficiale di un buco nero è l’accelerazione che sperimenta un corpo in prossimità dell’orizzonte degli eventi.
  18. Xaonon: Hawking Radiation Calculator
  19. Charles Misner, Kip Thorne, and John Wheeler (1973). Gravitation, p. 824
  20. Journey into a Schwarzschild black hole
  21. Is there life inside black holes?, Pianeti e vita all’interno dei buchi neri?
  22.  L’universo è finito
  23. Kip S. Thorne, Charles W. Misner, John Archibald Wheeler, Gravitation
  24. Robert M. Wald, General Relativity
  25. Wolfgang Rindler, Relativity: Special, General, and Cosmological
  26. Hau, L.V., Harris, S.E, Dutton, Z. e Behroozi, C.H., Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas, Nature 397 (6720), pp 594–598, 18 febbraio 1999

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