M87 – Vergine A, il getto e il buco nero

La galassia ellittica Messier 87 (M87, NGC 4486), detta anche Vergine A, è uno degli oggetti più interessanti del cielo. È forse la galassia dominante nel grosso ammasso più vicino a noi, il famoso ammasso di galassie della Vergine, e giace alla distanza di circa 60 milioni di anni luce. M87 si trova nel cuore del cluster della Vergine (insieme a molte galassie tra cui M84 e M86 ).

M87
M87, qui in un’immagine ripresa dal telescopio spaziale Hubble, è la galassia dominante delle circa 2000 che fanno parte dell’ammasso della Vergine. A 54 milioni circa di anni luce dalla Terra, con i suoi 120.000 anni luce di diametro e i 15.000 ammassi globulari che le fanno corona, M87 è una gigantesca galassia ellittica, “impreziosita” dal buco nero supermassiccio posto al suo centro, da cui emana il getto di particelle relativistiche, ben visibile alla destra del nucleo galattico. Cortesia: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

M87 è stato scoperto e catalogato da Charles Messier il 18 marzo 1781 quando catalogò altri 8 oggetti nebulosi. 7 di loro sono situati nella stessa regione, e in realtà sono tutti membri delle galassie dell’ammasso della Vergine, l’ottava è il famoso ammasso globulare M92 .

Dati della galassia
CostellazioneVergine
Ascensione retta12h 30m 49,4
Declinazione+12° 23′ 28,0″
Distanza52±4 milioni a.l.
Magnitudine apparente (V)9,59
Dimensione apparente (V)8,3′ × 6,6′
Redshift0,004360
Velocità radiale1307±7 km/s
Caratteristiche fisiche
TipoGalassia ellittica
ClasseE+0-1 pec; NLRG Syfert
Dimensioni120000 a.l.
(36720 pc)
Magnitudine assoluta (V)-22
Caratteristiche rilevantiEmissione radio, Emissione Jet dal nucleo

Il diametro di M87 apparentemente di circa 7 ‘corrisponde ad un’estensione lineare di 120.000 anni luce, più del diametro del disco della nostra Via Lattea. Tuttavia, poiché M87 è di tipo E1 o E0, riempie un volume molto più grande, e quindi contiene molte più stelle (e massa) della nostra galassia, certamente diverse migliaia di miliardi di masse solari (JC Brandt e RG Roosen hanno stimato 2.7 trilioni). Questa galassia ha anche una luminosità estrema, con una magnitudine assoluta di circa -22.

Questo gigante si trova tra un certo numero di vicini apparentemente vicini, alcuni di loro sono probabilmente satelliti fisici, mentre altri possono essere vicini apparenti a causa di soli effetti di proiezione. Le più brillanti di queste galassie nane sono: NGC 4476, NGC 4478, NGC 4486A e NGC 4486B .

Su lastre fotografiche molto profonde , David Malin dell’Osservatorio Astronomico Australiano ha scoperto che M87 si estende ancora di più; le sue parti esterne non sono più circolari ma significativamente allungate e la galassia è più lunga di mezzo grado in queste esposizioni, più del diametro della Luna Piena. Alla distanza di M87 di 53 milioni di anni luce, ciò corrisponde a un’estensione lineare di oltre mezzo milione di anni luce. I suoi outlayers appaiono notevolmente distorti, molto probabilmente a causa delle interazioni gravitazionali con altre galassie membri del Cluster Virgo, e perché contengono materiale di galassie disgregate che sono state incorporate in M87 durante incontri ravvicinati.

M87 è famosa per due peculiari e forse uniche caratteristiche, un enorme sistema ammasso globulare trovato su lunghe esposizioni (come nostra immagine), e una spettacolare getto che è meglio visto su brevi fotografie di esposizione. Abbiamo anche un montaggio di un’immagine che mostra gli ammassi globulari nella grande immagine e il getto in un piccolo riquadro.

M87 - Virgin A
M87 – Virgin A

Questa magnifica galassia è forse quella con i cluster globulari più conosciuti. Mentre la nostra Via Lattea ha il modesto numero di circa 150-200 globulars, M87 possiede un notevole sistema di diverse migliaia di questi oggetti: stime moderate come l’opera del 1976 citata da Burnham ne danno almeno 4.000, mentre i valori più moderni salgono a 15.000, ad es. 13.000 nella lista dei Global Cluster Systems di WE Harris ), circondando questa gigantesca galassia in un alone appariscente. I numerosi ammassi globulari satelliti di M87 possono essere visualizzati in questa immagine e nelle immagini AAT di M87 . La fotografia in questa pagina è stata anche ottenuta da David Malin con questo telescopio ed è coperta da copyright Australian Astronomical Observatory ; ulteriori informazioni su questa immagine sono disponibili.

La funzione di luminosità dei cluster globulari (che descrive la percentuale di globulars in determinati intervalli di luminosità) è stata utilizzata ripetutamente in passato per stimare la distanza di M87; più recentemente, tale stima a distanza è stata eseguita da BC Whitmore, WB Sparks, RA Lucas, FD Macchetto e JA Biretta (ApJ 454, L73 [1 dicembre 1995]) utilizzando le osservazioni HST. Stimarono una distanza di circa 55 milioni di anni luce, in ottimo accordo con i 56 milioni di anni luce ottenuti per M100 dalle osservazioni di Cepheid – corretto per i risultati di Hipparcos del 1997, uno arriva ai nostri 60 milioni di anni luce. Il problema di base di questa misurazione, tuttavia, è forse che non sappiamo se l’effettiva funzione di luminosità del GC per M87 sia la stessa di quella delle spirali come la nostra Via Lattea o la galassia di Andromeda M31 .

Il getto di M87

Il getto gigante fu scoperto da HD Curtis del Lick Observatory nel 1918. Questo fenomeno si estende per migliaia di anni luce (le fonti danno 5.000, ma forse è più come sono spesso basate su distanze troppo ridotte di questa galassia, l’autore attuale dovrebbe stimare 7-8.000 potrebbero essere più probabili). Il getto è costituito da materiale gassoso espulso dal nucleo della galassia. Le esposizioni polarimetriche di questo getto hanno dimostrato che la sua luce è fortemente polarizzata in un modo tipico per la radiazione di sincrotrone.

Getto M87
Immagini del getto di M87 in diverse bande dello spettro.

Esibisce uno spettro continuo e appare foto a colori blu (a breve esposizione) (come quella dell’Atlante dei colori di Gala diJD Wray). È in violenta turbolenza; le osservazioni hanno mostrato un apparente moto superluminale di nuvole di gas in questo oggetto – probabilmente un’illusione causata dal fatto che il getto sta puntando verso di noi. M87 è stato anche identificato con la potente sorgente radio Virgo A (per la più radiosa sorgente radio della costellazione della Vergine), di W. Baade e R. Minkowski nel 1954.

Nel 1956, JE Baldwin e FG Smith hanno scoperto un alone radio debole. Cambridge. È stata anche identificata come una forte fonte di raggi X e si trova vicino al centro di una nuvola di emissione di raggi X calda che si estende molto oltre il gruppo della Vergine. Confronta l’immagine ottica e radiografica di M87 e dei suoi dintorni nell’ammasso della Vergine , o l’intera parte centrale dell’ammasso della Vergine.

getto di M87
Il getto di M87, osservato, dall’alto in basso, nelle onde radio, nella luce visibile e nei raggi X. Cortesia: NASA/CXC/MIT/H.Marshall et al. (raggi X); F.Zhou, F.Owen (NRAO), J.Biretta (STScI) (onde radio); NASA/STScI/UMBC/E.Perlman et al. (luce visibile)

Il getto relativistico di materia che emerge dal nucleo si estende per almeno 1,5 kiloparsec (5.000 anni luce) dal nucleo e consiste di materia espulsa da un buco nero supermassiccio. Il getto è altamente collimato , appare vincolato ad un angolo di 60 ° all’interno di 0.8 parsec (2.6 anni luce) del nucleo, a circa 16° a due parsec (6.5 anni luce), e a 6-7 ° a dodici parsec (39 anni luce). La sua base ha il diametro di 5,5 ± 0,4 raggi di Schwarzschild, ed è alimentata da un disco di accrescimento  attorno al buco nero supermassiccio rotante. L’astronomo tedesco-americano Walter Baade scoprì che la luce del jet era polarizzata, il che suggerisce che l’energia è generata dall’accelerazione degli elettroni che si muovono a velocità relativistiche in un campo magnetico. L’energia totale di questi elettroni è stimata a 5,1 × 10 56 erg  (5,1 × 10 49 joule o 3,2 × 10 68 eV ). Si tratta di circa 10 13 volte l’energia prodotta dalla Via Lattea in un secondo, che è stimata in 5 × 10 36 joule.  Il getto è circondato da una componente non relativistica a velocità più bassa. Il getto è in fase di precessione, facendo sì che il deflusso formi un modello elicoidale fino a 1.6 parsec (5.2 anni luce).  Lobi di materia espulsa si estendono fino a 80 kiloparsec (260 mila anni luce). 

m87 jet
Sequenza di immagini di Hubble che mostrano il movimento apparente a sei volte la velocità della luce nella galassia M87. PANNELLO SUPERIORE: Immagine di Hubble che mostra un getto che fuoriesce dal nucleo della galassia [regione rotonda luminosa all’estrema sinistra]. Il getto è lungo circa 5000 anni luce, e la scatola indica dove sono stati visti i moti superluminali. PANNELLO INFERIORE: sequenza di immagini di Hubble che mostrano il movimento a sei volte la velocità della luce. Le linee oblique tracciano le caratteristiche in movimento e le velocità sono date in unità della velocità della luce “c”. Le immagini sono state realizzate tra il 1994 e il 1998 con la Faint Object Camera sul Telescopio Spaziale Hubble. PHOTO CREDIT: John Biretta, Space Telescope Science Institute.

Il buco nero

Una rete mondiale di telescopi chiamata Event Horizon Telescope ha ingrandito il mostro supermassiccio della galassia M87 per creare questa prima immagine di un buco nero.

buco nero M87
La prima immagine di un buco nero mostra un anello luminoso con un punto centrale scuro. Quell’anello è un brillante disco di gas che orbita attorno al mostro supermassiccio della galassia M87, e il punto è l’ombra del buco nero.

Il nucleo contiene un buco nero supermassiccio , designato provvisoriamente M87 * e soprannominato Pōwehi ( hawaiano per “fonte oscura abbellita di creazione infinita”), La cui massa è miliardi di volte quella del Sole; le stime variano da (3,5 ± 0,8) × 10 ☉  a (6,6 ± 0,4) × 10 9  ,  con una misurazione di 7,22 +0,34
-0,40 × 10 9
  nel 2016. Nell’aprile 2019, l’ Event Horizon Telescopemisure rilasciate della massa del buco nero come (6,5 ± 0,2 ± 0,7) × 10 9  . Questa è una delle masse più dettagliatamente conosciute per un tale oggetto. Un disco rotante di gas ionizzato circonda il buco nero ed è approssimativamente perpendicolare al getto relativistico. Il disco ruota a velocità di circa 1.000 km / s, e si estende su un diametro massimo di 0,12 parsec (0,39 anni luce). Il gas si accumula sul buco nero ad una velocità stimata di una massa solare ogni dieci anni (circa 90 masse terrestri al giorno). 

Le osservazioni suggeriscono che il buco nero può essere spostato dal centro galattico di circa sette parsec (23 anni luce). Lo spostamento è nella direzione opposta del getto unilaterale, che può indicare che il buco nero è stato accelerato via dal getto. Un’altra possibilità è che il cambio di posizione si sia verificato durante la fusione di due buchi neri supermassicci. Uno studio del 2011 non ha rilevato alcun spostamento statisticamente significativo. 

Il buco nero è stato il primo a essere direttamente ripreso. Un’immagine presa dall’Event Horizon Telescope nel 2017 è stata pubblicata il 10 aprile 2019.

“Abbiamo visto ciò che pensavamo fosse invisibile. Abbiamo visto e fatto una foto ad un buco nero, “Sheperd Doeleman, direttore EHT e astrofisico presso l’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, Massachusetts, ha dichiarato il 10 aprile a Washington, in una delle sette conferenze stampa simultanee. I risultati sono stati anche pubblicati in sei articoli in Astrophysical Journal Letters .

“Abbiamo studiato i buchi neri così a lungo, a volte è facile dimenticare che nessuno di noi ne ha mai visto uno”, ha detto France Córdova, direttore della National Science Foundation, nella conferenza stampa di Washington DC. Vedere uno “è un compito erculeo”, ha detto.

Questo perché i buchi neri sono notoriamente difficili da vedere. La loro gravità è così estrema che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire attraverso il confine sul bordo del buco nero, noto come orizzonte degli eventi. Ma alcuni buchi neri, specialmente quelli supermassicci che abitano nei centri delle galassie, si distinguono accendendo dischi luminosi di gas e altro materiale. L’immagine EHT rivela l’ombra del buco nero di M87 sul suo disco di accrescimento. Appare come un anello sfocato e asimmetrico e rivela per la prima volta un oscuro abisso di uno degli oggetti più misteriosi dell’universo.

L’immagine si allinea alle aspettative di come doveva apparire un buco nero sulla base della teoria della relatività generale di Einstein, che prevede come lo spazio-tempo sia deformato dalla massa estrema di un buco nero. L’immagine è “un’altra prova forte a sostegno dell’esistenza di buchi neri. E questo, naturalmente, aiuta a verificare la relatività generale “, afferma il fisico Clifford Will dell’Università della Florida a Gainesville. “Essere in grado di vedere effettivamente questa ombra e rilevarla è un primo passo stupefacente.”

Studi precedenti hanno testato indirettamente la relatività generale osservando i movimenti delle stelle  o le nubi di gas vicino a un buco nero, ma mai una prova diretta.

“Gli ambienti dentro a buco nero sono il luogo in cui la relatività generale fallisce”, dice il membro del team EHT Feryal Özel, un astrofisico dell’Università dell’Arizona a Tucson. Quindi testare la relatività generale in condizioni così estreme potrebbe mostrarci deviazioni dalle previsioni di Einstein.

Solo perché questa prima immagine sostiene la relatività generale “non significa che la relatività generale sia completamente verificata”, dice, molti fisici pensano che la relatività generale non sarà l’ultima teoria sulla gravità porché è incompatibile con un’altra teoria fisica essenziale, la meccanica quantistica, che descrive la fisica su scale molto piccole.

L’immagine fornisce anche una nuova misura della dimensione e del peso del buco nero. “La nostra determinazione di massa guardando direttamente l’ombra ha contribuito a risolvere una polemica di vecchia data”, ha detto Sera Markoff, un astrofisico teorico dell’Università di Amsterdam, nella conferenza stampa di Washington DC. Le stime fatte con tecniche diverse ci hanno fornito valori che oscillano tra 3,5 miliardi e 7,22 miliardi di volte la massa del sole. Ma le nuove misurazioni EHT mostrano che la sua massa è di circa 6,5 ​​miliardi di masse solari.

Il team ha anche determinato le dimensioni del colosso – il suo diametro si estende per 38 miliardi di chilometri  e che il buco nero gira in senso orario. “M87 è un mostro anche per gli standard supermassicci dei buchi neri”, ha detto Markoff.

L’EHT ha studiato dal suo puntio di vista sia il buco nero di M87 che Sagittario A *. Ma, è stato più facile immaginare il mostro di M87. Quel buco nero si trova a 55 milioni di anni luce dalla Terra nella costellazione della Vergine ed è circa 2000 volte più distante di Sgr A *. Ma è anche circa 1.000 volte più grande del gigante della Via Lattea, che pesa l’equivalente di circa 4 milioni di soli. Quel peso in più bilancia la distanza di M87. “La dimensione del cielo è davvero incredibile”, afferma Feryal Özel, membro del team EHT.

A causa della sua grinta gravitazionale, i gas che turbinano intorno al buco nero di M87 si muovono e variano in luminosità più lentamente di quanto non facciano quelli intorno alla Via Lattea. “Durante una singola osservazione, Sgr A * non si ferma, mentre M87 lo fa”, dice Özel, un astrofisico dell’Università dell’Arizona a Tucson. “Basandomi su questo ‘Il buco nero rimane immobile e posa per il nostro punto di vista”.

La prima immagine diretta di un buco nero è stata catturata dall’Event Horizon Telescope (EHT). Utilizzando una serie di radiotelescopi durante una campagna globale del 2017, gli astronomi hanno osservato il buco nero al centro di Messier 87, una massiccia galassia nel vicino ammasso di galassie della Vergine. Heino Falcke, presidente del Consiglio scientifico EHT, e Monika Moscibrodzka, astrofisica dell’Università Radboud, presentano la scoperta.

Dopo un’ulteriore analisi dei dati, il team spera di risolvere alcuni misteri di lunga data sui buchi neri, come il modo in cui il colosso di M87 sputa un getto luminoso di particelle cariche migliaia di anni luce nello spazio.

Per quanto riguarda Sgr A *, Il team di EHT ha già raccolto dati sul colosso della Via Lattea e sta continuando ad analizzarli, nella speranza di aggiungere la sua immagine alla nuova galleria dei ritratti sui buchi neri.

Poiché l’aspetto di Sagittariua A* cambia molto rapidamente, il team deve sviluppare nuove tecniche per analizzare i dati. “Siamo molto entusiasti di lavorare su Sgr A *”, ha dichiarato Daniel Marrone, un astrofisico dell’Università dell’Arizona a Tucson, nella conferenza stampa di Washington DC. “Lo faremo a breve. Non promettiamo nulla ma speriamo di farlo presto “.

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