Ecco la prima immagine di un buco nero

Redazione

6 anni ago

The Event Horizon Telescope (EHT) — a planet-scale array of eight ground-based radio telescopes forged through international collaboration — was designed to capture images of a black hole. In coordinated press conferences across the globe, EHT researchers revealed that they succeeded, unveiling the first direct visual evidence of the supermassive black hole in the centre of Messier 87 and its shadow. The shadow of a black hole seen here is the closest we can come to an image of the black hole itself, a completely dark object from which light cannot escape. The black hole’s boundary — the event horizon from which the EHT takes its name — is around 2.5 times smaller than the shadow it casts and measures just under 40 billion km across. While this may sound large, this ring is only about 40 microarcseconds across — equivalent to measuring the length of a credit card on the surface of the Moon. Although the telescopes making up the EHT are not physically connected, they are able to synchronize their recorded data with atomic clocks — hydrogen masers — which precisely time their observations. These observations were collected at a wavelength of 1.3 mm during a 2017 global campaign. Each telescope of the EHT produced enormous amounts of data – roughly 350 terabytes per day – which was stored on high-performance helium-filled hard drives. These data were flown to highly specialised supercomputers — known as correlators — at the Max Planck Institute for Radio Astronomy and MIT Haystack Observatory to be combined. They were then painstakingly converted into an image using novel computational tools developed by the collaboration.

È la prima prova visiva diretta di un buco nero e della sua ombra. Si tratta dell’immagine dell’orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio, con una massa equivalente a 6,5 miliardi di masse solari, che si trova a 55 milioni di anni luce dalla Terra, al centro della galassia Messier 87. A “scattare” la storica “fotografia” sono stati gli scienziati della collaborazione internazionale EHT Event Horizon Telescope, cui partecipano ricercatrici dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e dell’INAF Istituto Nazionale di Astrofisica. EHT è una rete distribuita su tutta la Terra, composta di un insieme di radiotelescopi che lavorano in modo coordinato così da costituire un unico strumento di dimensioni globali con sensibilità e risoluzione senza precedenti. Progettato proprio allo scopo di catturare l’immagine di un buco nero, oggi, 10 aprile, la collaborazione EHT, presenta, quindi, il coronamento del suo principale obiettivo scientifico. Il risultato è descritto in sei articoli scientifici pubblicati su The Astrophysical Journal Letters, e viene presentato nel corso di sei principali conferenze stampa che si tengono in contemporanea in diversi luoghi del mondo.

“Questo straordinario risultato – spiega Mariafelicia De Laurentis, ricercatrice dell’INFN e professore di astrofisica all’Università Federico II di Napoli, che come membro della collaborazione EHT ha coordinato il gruppo di analisi teorica dell’esperimento – non solo ci regala la prima immagine di un buco nero, ma ci fornisce anche una prova diretta della presenza di buchi neri supermassicci al centro delle galassie e del motore centrale dei nuclei galattici attivi”. “Queste osservazioni – prosegue la ricercatrice dell’INFN – vengono ora a costituire un nuovo strumento di indagine per esplorare la gravità nel suo limite estremo e su una scala di massa che finora non era stata accessibile”. “Dal punto di vista concettuale, il risultato rappresenterà uno strumento formidabile per studiare, confermare o escludere le varie teorie relativistiche della gravitazione formulate a partire dalla Relatività Generale di Albert Einstein”, conclude De Laurentis.

I buchi neri. La caratteristica principale che definisce un buco nero è l’esistenza del cosiddetto orizzonte degli eventi, che costituisce il limite causalmente connesso dello spaziotempo, cioè quella regione da cui non possiamo ricevere informazioni e da cui né la materia né la radiazione possono sfuggire. Appena fuori dall’orizzonte degli eventi, c’è una regione in cui i fotoni seguono orbite instabili. La dimensione e la forma precise di questa “regione di fotoni” dipendono dalle proprietà dinamiche e morfologiche del buco nero.

In accordo con la Relatività Generale, se immerso in questa zona luminosa, un buco nero crea una regione oscura simile a un’ombra: pertanto, dall’osservazione diretta di un buco nero, ci si aspetta di vedere la sua ombra come manifestazione dell’ultima regione dello spaziotempo in cui i fotoni e le altre particelle vanno a cadere. Quest’ombra, causata dalla deflessione gravitazionale e dalla cattura della luce dall’orizzonte degli eventi, ci fornisce le caratteristiche dinamiche e morfologiche di questi oggetti astrofisici. Il fenomeno non era mai stato osservato prima.

La tecnica. Per “catturare” l’immagine, la collaborazione EHT ha impiegato la tecnica dell’interferometria radio a lunga distanza (VLBI very-long baseline interferometry), che osserva a una lunghezza d’onda di 1,3 mm, corrispondente a una frequenza di circa 230 GHz. Questo ha consentito di ricostruire le immagini in scala dell’orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio, lontano 55 milioni di anni luce dalla Terra, al centro della galassia ellittica Messier 87, una galassia massiccia che si trova nel vicino ammasso di galassie della Vergine. La sorgente radio compatta centrale è stata risolta come un anello di emissione luminoso asimmetrico, di forma quasi circolare e che racchiude una regione centrale oscura, l’ombra del buco nero, appunto. L’anello di emissione, il cui diametro e ampiezza sono rimasti stabili nel corso di quattro indipendenti osservazioni condotte in giorni diversi, è stato ricostruito utilizzando differenti schemi di calibrazione e di imaging. L’asimmetria nella luminosità dell’anello può essere spiegata in termini di radiazione relativistica dell’emissione di un plasma che ruota quasi alla velocità della luce attorno al buco nero. Una volta “catturata” l’ombra del buco nero, è stato possibile confrontare le osservazioni con modelli computazionali di precisione che tengono conto della fisica dello spazio deformato, della materia surriscaldata e dei forti campi magnetici presenti. Le caratteristiche dell’immagine osservata corrispondono esattamente alle previsioni teoriche. L’immagine è, dunque, coerente con le previsioni dell’ombra di un cosiddetto buco nero di Kerr, ossia quel che resta di una stella massiva, in accordo con la Relatività Generale, e gli scienziati hanno potuto calcolare anche che il buco nero osservato ha una massa centrale di 6,5 miliardi di masse solari.

“È un risultato entusiasmante, – commenta Fabio Zwirner, ricercatore dell’INFN, professore all’Università di Padova e vicepresidente dell’ERC European Research Council – ed è una grande soddisfazione che a renderlo possibile sia stato anche un cruciale finanziamento dell’ERC”. “Attraverso un Synergy Grant del valore di 14 milioni di euro, un ristretto gruppo di ricercatori, Heino Falcke, Michael Kramer e Luciano Rezzolla, ha potuto creare una solida e preparata squadra di scienziati che, nell’ambito del progetto BlackHoleCam, ha svolto un ruolo chiave nel raggiungimento di questo straordinario traguardo scientifico”, conclude Zwirner.

Event Horizon Telescope. La costruzione dell’EHT e le osservazioni annunciate oggi rappresentano il culmine di decenni di lavoro osservativo, tecnico e teorico. Questo esempio di lavoro di squadra globale ha richiesto una stretta collaborazione da parte di ricercatori di tutto il mondo. La collaborazione scientifica internazionale EHT è costituita da oltre 200 ricercatori che lavorano in modo coordinato alla rete di radiotelescopi, dislocati in diverse aree del globo terrestre: Europa, Stati Uniti e Hawaii, America Centrale e del Sud, Africa e Asia. I telescopi che ne fanno parte sono ALMA, APEX, IRAM, il James Clerk Maxwell Telescope, il Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, il Submillimeter Array, il Submillimeter Telescope e il South Pole Telescope. Tredici istituzioni partner hanno collaborato alla creazione di EHT, sia sfruttando infrastrutture preesistenti, sia grazie al supporto di varie agenzie. Il finanziamento principale è stato fornito dall’ERC, dalla NSF National Science Foundation degli Stati Uniti e da agenzie finanziatrici asiatiche.

INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Ufficio per la Comunicazione