Nel mondo deforme di un buco nero

La Nasa ci stupisce ancora una volta con questa nuova visualizzazione animata di un buco nero. Un’animazione che illustra come la sua gravità sia in grado di distorcere ciò che stiamo guardando, deformando l’ambiente circostante il buco nero come se fosse visto attraverso uno specchio del luna park. La visualizzazione simula l’aspetto di un buco nero in cui la materia in caduta si è raccolta in una struttura sottile e calda chiamata disco di accrescimento. La gravità estrema del buco nero piega la luce emessa da diverse regioni del disco, producendo l’aspetto deformato che vediamo sotto.

Visto quasi di taglio, il turbolento disco di gas che ruota intorno a un buco nero ha un aspetto pazzesco, con una doppia gobba, sopra e sotto. Questo perché l’estrema gravità del buco nero altera i percorsi della luce provenienti da diverse parti del disco, producendo l’immagine deformata, ma ciò che vediamo dipende dal nostro angolo di vista. La massima distorsione si verifica quando si visualizza il sistema quasi lateralmente. Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa / Jeremy Schnittman

Nell’immagine sono evidenti nodi luminosi che si formano e si dissipano costantemente nel disco, mentre i campi magnetici si avvolgono e si attorcigliano attraverso il gas. Più vicino al buco nero, il gas orbita ad una velocità prossima a quella della luce, mentre le zone più esterne ruotano più lentamente. Questa differenza si estende per tutto il disco e separa i nodi luminosi, producendo corsie chiare e scure.

Questa infografica evidenzia e spiega vari aspetti della visualizzazione del buco nero (cliccare per ringrandire). Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa / Jeremy Schnittman, traduzione a cura di Media Inaf

Visto di lato, il disco appare più luminoso a sinistra di quanto non lo sia a destra. Questo perché il gas incandescente sul lato sinistro del disco si muove verso di noi così velocemente che gli effetti della relatività di Einstein inducono un aumento della sua luminosità; il contrario accade sul lato destro, dove il gas che si allontana diventa leggermente più debole. Questa asimmetria scompare quando vediamo il disco esattamente di fronte perché, da quella prospettiva, nessuno dei materiali si muove lungo la nostra linea di vista.

Più vicino al buco nero, la flessione gravitazionale della luce diventa così spinta che possiamo vedere la parte inferiore del disco come un luminoso anello di luce che apparentemente delinea il buco nero. Questo cosiddetto “anello fotonico” è composto i realtà da più anelli, che diventano progressivamente più deboli e più sottili, prodotti dalla luce che ha orbitato attorno al buco nero due, tre o anche più volte prima di riuscire a fuggire e raggiungere i nostri occhi. Poiché il buco nero modellato in questa visualizzazione è sferico, l’anello fotonico appare quasi circolare e identico da qualsiasi angolazione lo si guardi. All’interno dell’anello fotonico si trova l’ombra del buco nero, un’area approssimativamente doppia rispetto all’orizzonte degli eventi, il suo punto di non ritorno.

«Simulazioni e filmati come questi ci aiutano a visualizzare ciò che Einstein aveva compreso, affermando che la gravità deforma il tessuto dello spazio e del tempo», spiega Jeremy Schnittman, che ha prodotto queste splendide immagini utilizzando un software dedicato presso il Goddard Space Flight Center della Nasa. «Fino a poco tempo fa, queste visualizzazioni erano limitate alla nostra immaginazione e ai programmi per computer. Non avrei mai pensato che sarebbe stato possibile vedere un vero buco nero». Ma questo 2019 ci ha regalato l’immagine del secolo, quando il 10 aprile il team di Event Horizon Telescope ha rilasciato la prima immagine in assoluto dell’ombra di un buco nero, usando le osservazioni radio del cuore della galassia M87.

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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Apex guarda nel cuore dell’oscurità

Gli astronomi stanno tentando di trovare la prova definitiva della teoria della relatività generale di Einstein, cercando di ottenere un’immagine diretta dell’ombra di un buco nero. Questa osservazione è possibile combinando il segnale proveniente da radiotelescopi sparsi in tutto il mondo, utilizzando la tecnica chiamata interferometria a lunghissima base (Very Long Baseline Interferometry, Vlbi). I radiotelescopi coinvolti sono posizionati ad altitudini elevate per ridurre al minimo il disturbo derivante dall’atmosfera, in siti remoti caratterizzati da un cielo sereno, e stanno osservando la radiosorgente compatta Sagittarius A* (Sgr A*), localizzata al centro della Via Lattea.

Rappresentazione schematica delle osservazioni Vlbi a 1,3 mm di Sagittario A* (Sgr A*) nel centro Galattico, eseguite nel 2013. I riquadri mostrano le possibili forme della sorgente di emissione che risultano essere coerenti con le misurazioni. Per una migliore visualizzazione delle dimensioni angolari, sui modelli viene sovrapposto un cerchio bianco di 50 micro secondi d’arco. La posizione del telescopio Apex nell’emisfero meridionale, in Cile, fornisce linee di base interferometriche più lunghe, consentendo di raggiungere una risoluzione angolare migliore del doppio rispetto alle osservazioni precedenti. Questa configurazione consente infatti di ottendere una risoluzione spaziale di soli 3 raggi Schwarzschild in Sgr A *. Crediti: Eduardo Ros / Thomas Krichbaum (MPIfR)

Il team coinvolto in questa ricerca ha osservato Sgr A* nel 2013, utilizzando i radiotelescopi Vlbi posizionati in quattro siti diversi: il telescopio Apex in Cile, l’array Carma in California, il Jcmt e lo Sma alle Hawaii e il telescopio Smt in Arizona. Sgr A* è stato rilevato in tutte le stazioni e la lunghezza della linea di base (baseline) più lunga ha raggiunto quasi 10mila chilometri, consentendo di raggiungere una risoluzione angolare tale da rivelare una sorgente ultra-compatta e asimmetrica (non puntiforme).

«La partecipazione del telescopio Apex quasi raddoppia la lunghezza delle linee di base più lunghe, rispetto alle osservazioni precedenti, e consente di ottenere una risoluzione spettacolare di soli 3 raggi di Schwarzschild», afferma Ru-Sen Lu del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) di Bonn, in Germania, autore principale della pubblicazione. «Con tale risoluzione è stato pertanto possibile rivelare i dettagli della radio sorgente centrale, che sono più piccoli delle dimensioni attese del disco di accrescimento», aggiunge Thomas Krichbaum, promotore delle osservazioni mm-VLBI con Apex.

La posizione di Apex nell’emisfero australe migliora considerevolmente la qualità dell’immagine di una sorgente posizionata così a sud nel cielo quale è Sagittarius A * (-29 gradi di declinazione). Apex ha spianato la strada verso l’inclusione di Alma nelle osservazioni dell’Event Horizon Telescope (Eht), che attualmente vengono eseguite una volta all’anno.

«Abbiamo lavorato duramente, a un’altitudine di oltre cinquemila metri, per installare l’attrezzatura che ha permesso a Apex di fare osservazioni Vlbi a una lunghezza d’onda di 1,3 mm», afferma Alan Roy di MPIfR, guida del team Vlbi all’Apex. «Siamo orgogliosi delle buone prestazioni che Apex ha dimostrato di possedere in questo esperimento». Il radiotelescopio Apex da 12 m è stato dotato di attrezzature speciali, tra cui registratori a banda larga e un maser a idrogeno molto stabile per eseguire osservazioni interferometriche congiunte con gli altri telescopi Vlbi.

Il team ha utilizzato una procedura di fitting per studiare la struttura di Sgr A* alla scala dell’orizzonte degli eventi. «Abbiamo iniziato a capire quale potrebbe essere la struttura alle scale dell’orizzonte degli eventi, piuttosto che trarre generiche conclusioni dalle visibilità campionate. È molto incoraggiante constatare che una struttura ad anello concorda molto bene con i dati raccolti, anche se non possiamo escludere altri modelli, ad esempio una composizione di spot brillanti», aggiunge Ru-Sen Lu. Le future osservazioni, che verranno effettuate con più telescopi aggiunti a Eht, risolveranno le ambiguità residue ancora insite in queste immagini.

Il buco nero al centro della nostra galassia è inserito in un mezzo interstellare denso, che potrebbe influenzare la propagazione delle onde elettromagnetiche lungo la linea di vista. «Tuttavia, la scintillazione interstellare, che in teoria può portare ad avere distorsioni dell’immagine, non sembra essere un effetto dominante alla lunghezza d’onda di 1,3 mm», afferma Dimitrios Psaltis dell’Università dell’Arizona, project scientist di  Eht.

«I risultati ottenuti sono un passo importante verso lo sviluppo dell’Event Horizon Telescope», afferma Sheperd Doeleman del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e direttore del progetto Eht. «L’analisi di nuove osservazioni, che dal 2017 include anche Alma, ci porterà a compiere un altro passo avanti nell’osservazione per immagini (imaging) del buco nero al centro della nostra Galassia».

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