Perchè la prima foto di un buco nero conferma la teoria della relatività

In questo articolo cerchiamo di riassumere l'importanza della prima immagine di un buco nero, già entrata nella storia dell'essere umano.

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La prima immagine di un buco nero è diventata la rappresentazione di uno dei più grandi risultati ottenuti dall'umanità. Nel corso di questi giorni sono state molte le parole spese per spiegare, riassumere o più semplicemente celebrare questo successo di tecnologia, ingegno e metodo scientifico.
In questa grande eccitazione, che secondo chi scrive non può far altro che accrescere l'interesse nei confronti dell'intero mondo scientifico, la quantità di informazioni è davvero notevole ed è testimonianza della portata dell'evento. L'immagine è sicuramente affascinante perché, nella sua semplicità, immortala ben due protagonisti della relatività generale.

Il target della ricerca è risultato essere la galassia ellittica M87 con la sorgente di onde radio, Virgo A, posta nel suo centro e non, come ipotizzato nei giorni precedenti la conferenza, la Via Lattea. Anche quest'ultima possiede al suo centro un buco nero, ma la sua estrema variabilità avrebbe significato una osservazione particolarmente ostica.
M87 è distante 55 milioni di anni luce ed è la più grande galassia dell'ammasso della Vergine, circa 200 volte più massiccia della Via Lattea e antica quasi quanto l'universo. Terminate le presentazioni, facciamo la conoscenza dei tre protagonisti.

Il soggetto dell'immagine è l'ombra

La zona nera nell'immagine è "l'ombra" di un buco nero ed è ad oggi quanto più vicino possibile alla vera forma del buco nero stesso. Non è ancora possibile osservare la sola entità fisica che si cela al centro dell'ombra. Ciò che è possibile invece "immortalare" ad oggi in una immagine è la luce che non è stata inghiottita dal buco nero, e che dunque si trova ad una "distanza di sicurezza" tale da rendere possibile il suo ritorno verso gli strumenti presenti sulla Terra. Qual è questa distanza di sicurezza? Esiste un confine, ad una certa distanza dal centro del buco nero: è il secondo protagonista della foto, ed è chiamato Orizzonte degli eventi (da cui tra l'altro prende il nome la rete di telescopi che hanno permesso di ottenere tutti i dati necessari, l'Event Horizon Telescope).
Dalla teoria della relatività generale tale confine risulta essere, per il buco nero in questione, una sfera con un raggio di 20 miliardi di chilometri. Questo raggio è detto "Raggio di Shwarzschild", il nostro secondo protagonista, ed è cruciale per definire la portata del buco nero e le conseguenze della sua presenza sullo spaziotempo.

Se la luce si avvicina al buco nero superando il "confine" dettato dall'orizzonte degli eventi, essa non può più invertire il suo moto (ruotare attorno al buco nero e percorrere la traiettoria buco nero - Terra) , e dunque è condannata ad avvicinarsi inesorabilmente verso il centro dell'oggetto, soggiogata dalla deformazione dello spazio causata dalla sua massa incredibilmente alta al centro della sfera.

In realtà in prossimità del confine, la deformazione dello spazio-tempo è così accentuata che anche i fotoni che sono distanti dall'orizzonte degli eventi vengono deviati e infine inghiottiti. Questo accade per tutti i fotoni che transitano a meno di 2.5 raggi di Shwarzschild dal centro del buco nero. La conseguenza di queste meccaniche è che l'ombra (la mancanza di luce) ha un raggio maggiore (circa il doppio) di quello dell'orizzonte degli eventi. Di seguito è proposta un'immagine molto efficace che ben rappresenta i concetti sopra espressi. (crediti immagine: Chi ha paura del buio?)

La foto presenta inoltre un confronto con tutto il nostro sistema solare, ed anche con la distanza percorsa dalla sonda Voyager 1, l'oggetto artificiale che si è spinto più lontano dalla Terra di qualunque altro mai lanciato nello Spazio.
Il disco luminoso è il secondo protagonista dell'immagine, ed è lui che permette effettivamente di osservare il buco nero.
E' composto da un vorticoso fluire di materia gassosa ad altissima temperatura, dell'ordine dei miliardi di gradi Kelvin, che ruota attorno al centro della zona scura e che viene istante per istante inghiottito dal buco nero. Ed è proprio grazie alle radiazioni emesse da questo disco che è possibile osservare il buco nero "tramite contrasto", volendo semplificare.

Virgo A, il buco nero, è caratterizzato da una dimensione inimmaginabile (l'intero fenomeno interessa circa 100 miliardi di chilometri di diametro), ed il tutto è reso ancora più affascinate dal fatto che, volendo fare un paragone con qualcosa di più facile intuizione, si potrebbe dire che l'aver misurato il diametro di questo anello è equivalente a misurare la lunghezza di una carta di credito sulla superficie della Luna.

Un granello di sabbia

Il buco nero ha un diametro davvero considerevole, tuttavia la sua estrema distanza dalla Terra ha come risultato il fatto che gli oltre 20 miliardi di km che caratterizzano l'oggetto occupano solamente 42 microarcosecondi d'arco della volta celeste. Che cosa significa? Se prendete una circonferenza e la suddividete in 360 parti uguali (immaginate di tagliare una torta in 360 fette identiche) l'angolo definito da un solo spicchio, equivale ad 1 grado. Questo spicchio andrà poi suddiviso in 60 parti uguali, ed una di queste 60 parti andrà divisa in 60 parti ancora. Si è ottenuto il "secondo d'arco".

Per arrivare al microarcosecondo sarà sufficiente prendere questo "secondo d'arco" (già di per sé estremamente piccolo) e suddividerlo in... 1.000.000 di parti. Ecco il microarcosecondo. Si tratta di un puntino infinitesimale e invisibile nella vastità della volta celeste, e capite bene che il solo fatto di esser riusciti ad inquadrare questo oggetto è, da solo, il simbolo della capacità dell'Uomo di indagare l'universo. Uomo e macchina in realtà.

Gioco di squadra, gioco di squadre

Si è trattato di un "lavoro di gruppo", una sinergia di macchinari e tecnologie che in prima linea è stata caratterizzata dal successo dei telescopi che costituiscono l'EHT. Sebbene questi non siano fisicamente collegati tra loro, trovandosi nei diversi angoli del pianeta Terra, sono stati in grado di sincronizzare i loro dati registrati con orologi atomici che segnano esattamente le loro osservazioni, con l'intento di ridurre al minimo qualsiasi sfasamento nelle osservazioni.

E' doveroso menzionare almeno gli strumenti protagonisti di questo traguardo. I singoli telescopi coinvolti sono: ALMA, APEX, il Telescopio da 30 metri IRAM, l'Osservatorio NOEMA , il James Clerk Maxwell Telescope , il Large Millimeter Telescope (LMT), il Submillimeter Array (SMA), il Submillimeter Telescope (SMT), il Polo Sud Telescope (SPT), il Kitt Peak Telescope e il Groenlandia Telescope (GLT).

Qualche attento lettore avrà sicuramente riconosciuto alcuni di questi telescopi, che già in passato si sono distinti per osservazioni fuori dall'ordinario. Una parte di questi dati è stata catturata ad una lunghezza d'onda di 1,3 mm durante il corso del 2017 ed ognuno dei telescopi dell'EHT ha prodotto enormi quantità di dati, circa circa 350 terabyte al giorno, che sono stati archiviati su dischi rigidi a elio ad alte prestazioni.
Questi dati sono poi stati trasferiti su calcolatori avanzati, chiamati "correlators", presenti al Max Planck Institute for Radio Astronomy e all' MIT Haystack Observatory, per essere combinati ed elaborati. L'immagine che vediamo è poi la sintesi di tutti questi dati, che sono stati convertiti in un'immagine utilizzando strumenti computazionali sviluppati proprio nel corso di questo immenso progetto.

Davvero molto simile

L'immagine "del secolo" è straordinariamente simile alle simulazioni effettuate dal team di EHT, visibili nell'immagine in alto. Subito risaltano all'occhio la grande macchia nera centrale, e il grande anello luminoso che si sviluppa attorno ad essa, terzo protagonista dell'immagine. La simulazione è il risultato di tutte le equazioni sviluppate nel modello della relatività generale, modello che già più di 100 anni fa (la pubblicazione da parte di Albert Einstein risale al 1915) aveva permesso di predirne matematicamente l'esistenza.
E se il modello ha così ben rappresentato il modo in cui un buco nero appare, questa forte somiglianza non fa che confermare la solidità della teoria della relatività generale. L'immagine reale è come appannata, con un bagliore diffuso che non permette di distinguere nettamente un disco nero ed un anello luminoso tutto intorno.


Gargantua

Il buco nero presente in Interstellar, denominato a buon titolo Gargantua, è anch'esso una ottima rappresentazione di questo maestoso fenomeno fisico, forse il più misterioso tra i tanti che caratterizzano l'universo. Il lavoro svolto con Gargantua può (per ora) permetterci di ipotizzare come potrebbe apparire una futura immagine migliorata di quella prodotta nei giorni scorsi dall'EHT: fu infatti realizzato sotto la supervisione dell'astrofisico Kip Thorne che ne diresse la produzione al calcolatore, tramite simulazioni fisicamente coerenti al modello matematico che descrive la fisica dei buchi neri, con qualche successivo ritocco dettato da esigenze cinematografiche.

Sicuramente in futuro verrà condotta una seconda monumentale indagine come quella appena conclusasi; l'incredibile mole di dati raccolti verrà utilizzata anche per migliorare la tecnologia di rilevamento e gli algoritmi di gestione delle informazioni raccolte.


Arriverà il suo turno

Il progetto avrebbe potuto porre la sua attenzione verso Sgr A*, il buco nero al centro della nostra galassia, la Via Lattea. E' stato calcolato che Sagittarius A* possiede una massa di tre ordini di grandezza inferiore a quella del buco nero di M87. La sua maggiore velocità di evoluzione avrebbe reso le operazioni di osservazione ed analisi ancora più complesse: senza entrare nel dettaglio, si sarebbe trattato di fotografare un oggetto in movimento troppo marcato, ed il rischio di ottenere una immagine sfocata era molto concreto. Osservando l'ombra di Sgr A * sarà necessario tenere conto di questa variabilità e cercare di attenuare gli effetti di interferenza e di dispersione causati dal mezzo interstellare.
In conclusione, la foto è la dimostrazione innegabile che sono possibili studi diretti dell'orizzonte degli eventi di buchi neri supermassicci e questi studi possono passare per l'analisi delle onde elettromagnetiche, trasformando così questo "limite" dell'universo da concetto matematico a un'entità fisica, che può essere analizzata e interrogata attraverso future osservazioni astronomiche.

L'argomento è davvero molto vasto ed affascinante, ogni aspetto nasconde una spiegazione che ha dell'incredibile, dal perchè della forma particolare del disco di accrescimento, all'origine del raggio di Shwarzschild. Se avete domande o se siete interessati ad un particolare aspetto del fenomeno dei buchi neri, fatecelo sapere con dei commenti, faranno da guida per nuovi articoli su questo affascinante e ancora molto misterioso fenomeno nell'universo.