Buchi neri rotanti come vortici nel mare cosmico

Immagini a raggi X di quattro quasar del campione. Gli astronomi hanno usato Chandra per misurare la velocità di rotazione di cinque quasar, ognuno costituito da un buco nero supermassiccio che consuma rapidamente la materia da un disco di accrescimento circostante. La lente gravitazionale generata da una galassia interposta, ha creato più immagini di ogni quasar, come mostrato in questa immagine. Crediti: Nasa/Cxc/Univ. di Oklahoma/X. Dai et al.

Come i vortici che si formano nell’oceano, i buchi neri che ruotano nello spazio cosmico generano intorno a loro un torrente vorticoso di gas e polvere, riscaldato a centinaia di milioni di gradi, che emette raggi X. Utilizzando i dati dell’osservatorio a raggi X Chandra della Nasa, e grazie a fortunati allineamenti che si sono venuti a creare attraverso miliardi di anni luce, gli astronomi sono riusciti a implementare una nuova tecnica per misurare la rotazione di cinque buchi neri supermassicci, trovando risultati sorprendenti: in uno di questi vortici cosmici, la materia ruota attorno al suo buco nero a più del 70 per cento della velocità della luce.

Gli astronomi sono riusciti a compiere queste misure sfruttando le lenti gravitazionali: con il giusto allineamento, la curvatura dello spazio-tempo indotta da un oggetto massiccio lungo la linea di vista, come può essere una grande galassia interposta tra noi e ciò che stiamo osservando, può ingrandire e produrre più immagini dell’oggetto che vogliamo osservare, come previsto da Einstein.

Nello studio, pubblicato recentemente su The Astrophysical Journal, gli astronomi hanno usato i dati di Chandra e le lenti gravitazionali per studiare cinque quasar, ciascuno costituito da un buco nero supermassiccio che consuma rapidamente materia proveniente da un disco di accrescimento circostante. Il lensing gravitazionale della luce di ognuno di questi quasar da parte di una galassia interposta ha creato più immagini di ogni quasar, come mostrato nelle immagini di Chandra. Solo grazie all’eccezionale capacità di imaging di Chandra è stato possibile separare le immagini multiple e la lente di ogni quasar. Il principale progresso compiuto in questo lavoro consiste nel fatto di aver sfruttato il microlensing, per il quale le singole stelle nella galassia che proietta la lente gravitazionale contribuiscono ad amplificare la luce proveniente dal quasar. Un maggiore aumento della luminosità significa che l’emissione di raggi X è generata da una regione più piccola.

I ricercatori hanno quindi sfruttato la capacità di un buco nero rotante di trascinarsi lo spazio attorno e consentire alla materia di orbitare più vicino al buco nero stesso di quanto sia possibile a un buco nero che non ruoti. Pertanto, una regione di emissione più piccola, corrispondente a un’orbita più stretta, generalmente implica un buco nero che gira più rapidamente. Sfruttando il microlensing gravitazionale, gli autori sono arrivati alla conclusione che i raggi X provengono da una regione così piccola da comportare buchi neri che ruotano molto rapidamente.

In particolare, i risultati hanno mostrato che uno dei buchi neri, nel quasar con la lente chiamata Croce di Einstein (Q2237 nell’immagine), sta ruotando quasi alla massima velocità possibile, che corrisponde a una distanza pari all’orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno del buco nero. Gli altri quattro buchi neri del campione ruotano, in media, a circa metà della velocità della luce. Per la Croce di Einstein, l’emissione di raggi X proviene da una parte del disco che si trova a meno di 2.5 volte la dimensione dell’orizzonte degli eventi, e per gli altri quattro quasar i raggi X provengono da una regione da quattro a cinque volte la dimensione dell’orizzonte degli eventi.

Come fanno questi oggetti a ruotare così velocemente? I ricercatori pensano che questi buchi neri supermassicci probabilmente siano cresciuti accumulando la maggior parte del materiale, nell’arco di miliardi di anni, da un disco di accrescimento che ruota con un orientamento e una direzione di rotazione molto simili, piuttosto che da direzioni casuali. Come una giostra che continua a essere spinta nella stessa direzione, i buchi neri continuano a prendere velocità.

I raggi X rilevati da Chandra vengono prodotti quando il disco di accrescimento che circonda il buco nero crea una nube di milioni di gradi – chiamata anche corona – sopra il disco, vicino al buco nero. I raggi X emessi dalla corona si riflettono sul bordo interno del disco di accrescimento e le forti forze gravitazionali vicino al buco nero distorcono lo spettro dei raggi X riflessi, ossia la quantità di raggi X osservati a diverse energie. Le grandi distorsioni osservate negli spettri a raggi X dei cinque quasar studiati implicano che il bordo interno del disco deve essere vicino ai buchi neri, fornendo ulteriori prove del fatto che devono girare rapidamente.

I quasar si trovano a distanze che vanno da 9.8 miliardi a 10.9 miliardi di anni luce dalla Terra, e i buchi neri hanno masse tra i 160 e i 500 milioni di volte quella del Sole. Queste osservazioni sono state le più lunghe mai realizzate con Chandra di quasar con lente gravitazionale, con tempi di esposizione totali compresi tra 1.7 e 5.4 giorni.

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Universi emergenti da sfide tra reti neurali

Mappe di lensing gravitazionale debole basate sul modello cosmologico standard Lambda-Cdm, ottenute dai dati (in alto) e prodotte da reti neurali antagoniste generative (in basso). Crediti: Berkeley Lab

Quando la Natura è troppo complessa per essere studiata direttamente, gli scienziati la simulano, elaborando modelli in grado di riprodurre l’aspetto e il funzionamento del fenomeno indagato, così da poter mettere alla prova le loro teorie confrontando i dati sperimentali con quelli prodotti artificialmente. In alcuni casi, però, queste simulazioni possono a loro volta raggiungere complessità e dimensioni tali da risultare proibitive in termini computazionali. Come fare, in questi casi? Una risposta arriva ora da una nuova classe di algoritmi di machine learning basati sulla teoria dei giochi: le reti antagoniste generative (in inglese Gan, acronimo di generative adversarial network).

Ed è proprio avvalendosi di queste reti che una collaborazione fra Berkeley Lab, Google Research e l’università sudafricana di KwaZulu-Natal ha messo a punto CosmoGan, un software in grado di produrre in completa autonomia – senza alcun intervento umano – fedelissime mappe di convergenza del lensing gravitazionale debole. Algoritmo e risultati sono descritti in un articolo, guidato da Mustafa Mustafa del Lawrence Berkeley National Laboratory, pubblicato su Computational Astrophysics and Cosmology. Le mappe prodotte – o meglio, emerse – dalla “competizione” fra le reti neurali antagoniste sono preziose per chiunque si trovi a studiare le proprietà della materia oscura. Ma l’approccio sembra promettente anche per molti altri ambiti della fisica in cui siano richieste simulazioni di grande complessità.

«Le Gan sono particolari architetture di reti convolutive, generalmente usate in applicazioni nelle quali si vogliono generare contenuti o oggetti: ad esempio immagini di galassie, o altre strutture», spiega a Media Inaf Massimo Meneghetti, ricercatore all’Inaf Oas di Bologna, esperto di lensing e astrofisica computazionale. «Si tratta di due reti neurali che lavorano in coppia. C’è una rete che “genera” oggetti a partire da rumore, e un’altra rete che ha il compito di “discriminare” fra oggetti veri e falsi. Le due reti vengono allenate insieme: la prima, il generatore, apprende come produrre oggetti sempre più realistici, in modo da “imbrogliare” l’altra rete, il discriminatore. Quest’ultima invece diventa sempre più abile nel distinguere il vero dal falso. Questa specie di “guerra” tra le due reti porta alla realizzazione di oggetti che sono praticamente indistinguibili dalla realtà».

Il risultato, applicato alle mappe di lensing gravitazionale, lo potete vedere nell’immagine di apertura. Le tre mappe in alto sono quelle di convalida basate sui dati, quelle in basso sono invece prodotte dalle reti neurali antagoniste.

«Tecniche di deep learning come le Gan stanno diventando di uso molto comune in molte applicazioni astrofisiche», dice Meneghetti. «Anche alcuni ricercatori dell’Inaf le utilizzano, in ambiti che vanno dalle simulazioni di immagini alla classificazione morfologica di galassie, e molto altro. Sono uno degli argomenti sui quali ci confronteremo il prossimo settembre, a Pula, in un workshop dedicato proprio a questi temi».

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C’è una nuova stima della costante di Hubble

Immagine del doppio quasar dell’Hubble Space Telescope. Crediti: Nasa Hubble Space Telescope, Tommaso Treu/Ucla, and Birrer et al.

La questione su quanto velocemente l’universo si stia espandendo attanaglia gli scienziati da quasi un secolo. Studi diversi continuano a fornire risposte diverse, tanto che alcuni ricercatori si stanno domandando se sia stato trascurato qualcosa di cruciale nel definire i meccanismi alla base dell’evoluzione del cosmo.

Ora, sembra che un gruppo di ricerca guidato dagli astronomi dell’Università della California (Ucla) abbia fatto un passo avanti verso la soluzione di questo enigma, trovando un metodo alternativo per misurare la velocità di espansione dell’Universo. La ricerca è stata pubblicata su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Al centro della disputa c’è la costante di Hubble: un numero che mette in relazione le distanze delle galassie con gli spostamenti verso il rosso della luce emessa dalle galassie stesse (in un universo in espansione, la lunghezza d’onda della luce si allunga mentre viaggia verso la Terra). Le attuali stime per la costante di Hubble vanno da circa 67 a 73 chilometri al secondo per megaparsec, il che significa che due punti nello spazio che distano un megaparsec (l’equivalente di 3,26 milioni di anni luce) si allontanano l’uno dall’altro a una velocità tra 67 e 73 chilometri al secondo.

«La costante di Hubble è ancorata alla scala fisica dell’universo», dice Simon Birrer, primo autore del lavoro. Senza un valore preciso per la costante di Hubble, gli astronomi non sono in grado di determinare con precisione le dimensioni delle galassie, l’età dell’universo e la storia della sua espansione.

La maggior parte dei metodi per derivare la costante di Hubble hanno due ingredienti: la distanza della sorgente e il suo redshift (lo spostamento verso il rosso). Volendo utilizzare una sorgente che non fosse già stata usata nei calcoli di altri scienziati, Birrer e colleghi hanno pensato ai quasar: sorgenti di radiazioni alimentate da giganteschi buchi neri. In particolare, per la loro ricerca hanno scelto uno specifico sottoinsieme di quasar: quelli la cui luce è stata piegata dalla gravità di una galassia interposta, lungo la nostra linea di vista, producendo in questo modo due immagini affiancate dell’oggetto nel cielo. Il fenomeno è noto come lente gravitazionale e questi oggetti vengono chiamati doppi quasar.

La luce delle due immagini, viaggiando verso la Terra, prende strade diverse. Quando la luminosità del quasar fluttua, le due immagini fluttuano di conseguenza, ma non contemporaneamente, bensì una dopo l’altra. Il ritardo temporale tra la variazione in luminosità delle due immagini, insieme alle informazioni sul campo gravitazionale della galassia interposta, può essere usato per tracciare il percorso della luce e dedurre le distanze dalla Terra, sia del quasar che della galassia interposta. Dal redshift del quasar e della galassia, gli scienziati sono stati in grado di stimare quanto velocemente l’universo si stia espandendo.

Il team dell’Ucla, come parte della collaborazione internazionale H0licow, aveva già applicato la tecnica per studiare quasar con immagini quadruplicate (quasar quadrupli), nei quali quattro immagini di un quasar appaiono attorno ad una galassia in primo piano. Ma i quasar quadrupli non sono così comuni: si ritiene che i quasar doppi siano circa cinque volte più abbondanti di quelli quadrupli.

Per provare la tecnica, i ricercatori hanno studiato un quasar doppio noto come Sdss J1206+4332, basandosi sui dati del Telescopio spaziale Hubble e degli osservatori Gemini e W.M. Keck, nonché su Cosmograil, la rete di monitoraggio cosmologico di lenti gravitazionali, un programma gestito dalla École Polytechnique Federale di Losanna (Svizzera) che mira a determinare la costante di Hubble.

Tommaso Treu, professore di fisica e astronomia dell’Ucla e coautore dell’articolo, spiega che i ricercatori hanno scattato immagini del quasar ogni giorno, per diversi anni, per misurare con precisione il ritardo temporale tra le immagini. Successivamente, per ottenere la migliore stima possibile della costante di Hubble, hanno combinato i dati raccolti su quel quasar con i dati che erano stati precedentemente raccolti dalla loro collaborazione H0licow su tre quasar quadrupli.

«La bellezza di questa misura risiede nel fatto che è complementare e indipendente dalle altre misure esistenti», sottolinea Treu.

Il team guidato dall’Ucla ha elaborato una stima per la costante di Hubble pari a circa 72,5 chilometri al secondo per megaparsec: una cifra in linea con quello che altri scienziati hanno determinato nelle ricerche che utilizzano le supernove. Tuttavia, entrambe le stime risultano essere circa l’8 per cento più alte di quelle che si basano sul fondo cosmico a microonde, la cosiddetta radiazione fossile, che ha iniziato a propagarsi liberamente nello spazio circa 380mila anni dopo il Big Bang.

«Se esiste una reale differenza tra questi valori, significa che l’universo è un po’ più complicato», osserva Treu. D’altra parte, ricorda il ricercatore, potrebbe anche essere che una misura, o anche tutte e tre, siano sbagliate.

I ricercatori stanno ora cercando altri quasar per migliorare la precisione della misura della costante di Hubble con questo metodo. Treu conclude che una delle lezioni più importanti del nuovo lavoro è che i quasar doppi danno agli scienziati molte più possibilità, in termini di sorgenti, per il calcolo della costante di Hubble. Per ora il team si sta concentrando su 40 quasar quadrupli, a causa del loro potenziale di fornire informazioni ancora più utili di quelle ottenute da quasar doppi.

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