Dieci domande sulla foto del buco nero

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La foto di Sagittarius A* rilasciata oggi dalla collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) ha già fatto il giro del mondo. L’immagine in sé, in realtà, non è bellissima; ma la sua importanza simbolica e scientifica è enorme. Perché quello che ci mostra è il buco nero gigante più vicino a noi, quello al centro della Via Lattea, la nostra galassia. Situato a 25 mila anni luce dalla Terra nella costellazione del Sagittario, da cui prende nome, Sagittarius A* è al centro delle attenzioni degli astrofisici fin dall’inizio della radioastronomia, come è raccontato nel numero di Focus in edicola (Focus n° 355).
La foto che lo ritrae è stata scattata con la stessa tecnica della prima foto di un buco nero, M87*. È, cioè, un’immagine ottenuta con le onde radio, che poi è stata colorata per renderla visibile ai nostri occhi. Ed è stata ottenuta combinando le misurazioni sincronizzate di otto radiotelescopi sparsi in tutto il mondo, in modo che la superficie di osservazione effettiva risultasse molto più ampia di quella del singolo osservatorio.
Per saperne di più, abbiamo intervistato Ciriaco Goddi, docente all’Università di Cagliari, astrofisico dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e membro di EHT.. Che cosa rappresenta questa immagine, e che cosa ci ha permesso di scoprire?
Questa è la prima immagine di Sagittarius A*, il buco nero gigante al centro della Via Lattea, ed è importante innanzitutto per questo. Avevamo già indizi fortissimi che al centro della Galassia ci fosse un buco nero di quattro milioni di masse solari, grazie allo studio delle orbite stellari che è valso il premio Nobel ad Andrea Ghez e Reinhard Genzel nel 2020. Però ora, con questa foto, abbiamo la prova visiva diretta, quindi la prova schiacciante, che si tratta di un buco nero.
Non solo. Questa foto ci ha permesso anche di testare per la prima volta la Relatività Generale direttamente al bordo del buco nero, quindi in un regime di gravità estrema, perché stiamo guardando la regione dell’orizzonte degli eventi. E abbiamo trovato un accordo molto buono con la teoria di Einstein.. Non avevate già testato la Relatività Generale con la foto di M87 pubblicata tre anni fa?
Sì, ma c’è una differenza importante. Nel caso di M87* non conoscevamo esattamente la massa, nel caso di Sagittarius A* sì. E questo ci consente un confronto molto più serrato.
Come si legge esattamente l’immagine che avete rilasciato?
Nell’immagine vediamo quello che ci aspettiamo. Vediamo una regione centrale scura, la famosa “ombra”, che è circondata da una struttura brillante a forma di anello. Questa forma è generata dal percorso che fa la luce emessa dal materiale in caduta, che viene distorto dalla gravità.
Che cosa si può imparare dal confronto con M87*?
Una cosa importante è che i due buchi neri appaiono straordinariamente simili nonostante le differenze: risiedono in galassie molto diverse, hanno masse molto diverse (Sagittarius A* è 1.500 volte più piccolo) e proprietà astrofisiche molto diverse (M87* ha un getto spettacolare che l’altro non ha). Nonostante questo, come prevede la relatività di Einstein, la regione vicino all’orizzonte degli eventi è molto simile in entrambi i casi.
. Sagittarius A* è molto più vicino a noi. La sua foto, però, è molto meno nitida. Perché?
Il problema principale è la variabilità dell’immagine radio, che è anche la ragione per cui questa foto è stata pubblicata più tardi di quella di M87*. Dobbiamo infatti considerare che il gas in caduta verso un buco nero segue una traiettoria a spirale: la variabilità è dovuta al tempo che questo gas impiega a fare un giro quando si avvicina all’orizzonte degli eventi.
Nel caso di M87*, questo “tempo dinamico”, come viene chiamato, era di diversi giorni, anche di una settimana, e quindi questa sorgente risultava statica durante il periodo di osservazione (una notte). Invece per Sagittarius A* il tempo dinamico è molto inferiore, dell’ordine di 10-20 minuti.
Quindi l’immagine che raccogliamo durante una notte di osservazione è la media di un segnale che cambia anche un centinaio di volte. Il modo in cui si ottiene questa media è, in realtà, molto complesso: l’articolo scientifico che spiega la metodologia delle immagini è lungo 71 pagine, ed è veramente impegnativo da un punto di vista tecnico. . Sagittarius A* si trova a 25 mila anni luce da noi, al centro di una galassia in cui il Sole e la Terra si trovano in posizione periferica. Tra noi e il buco nero ci sono quindi grandi quantità, oltre che di stelle, di polveri e gas. L’immagine che vediamo è disturbata anche dal mezzo interstellare?
Sì, anche questo è un problema ed è molto complicato, ma risolvibile. Le polveri interstellari, innanzitutto, che sono un problema per le immagini ottiche perché nascondono la sorgente, non assorbono le onde radio, dunque per queste misure è come se non ci fossero.. Però c’è un’altra complicazione: le nubi di gas ionizzato, che invece diffondono le onde radio e rendono l’immagine meno nitida (è un po’ quello che succede anche alla luna e al sole, che appaiono meno nitidi quando c’è foschia). Questo fenomeno, però, è stato molto studiato in passato, per cui ci sono modelli matematici che permettono di ricostruire come apparirebbe l’immagine se non ci fosse questo disturbo. Negli articoli scientifici, infatti, pubblichiamo sempre le immagini reali (che chiamiamo On-sky) e quelle filtrate (che chiamiamo Descattered).
Come potreste, allora, risolvere questo problema in futuro, per ottenere immagini sempre più nitide?
Avremmo bisogno di tempi di osservazione brevi, di pochi minuti, perché a quel punto potremmo avere istantanee che ci permetterebbero di studiare l’evoluzione temporale. Però ci vorranno molti più telescopi, sia a grande distanza, sia a piccola distanza. E poi sarebbe utile avere a disposizione anche dei satelliti. Abbiamo fatto qualche test, ma con i radiotelescopi attuali non è possibile andare molto oltre.
Che cosa si può dire riguardo alla rotazione del buco nero? Avete osservato una rotazione (spin)?
Purtroppo, i dati non ci consentono di trarre conclusioni sullo spin del buco nero. Quello che possiamo dire è che l’immagine è consistente con il fatto che si tratti di un buco nero di Kerr, cioè di un buco nero rotante, ma non possiamo trarre conclusioni più dettagliate.
Nel caso di M87*, una parte dell’anello aveva un’intensità maggiore, e questa è un’indicazione dello spin, perché il segnale viene amplificato quando – per via della rotazione – la materia che emette la radiazione si sta muovendo verso l’osservatore (un fenomeno noto come Doppler boosting).
Nel caso di Sagittarius A*, invece, non riusciamo a misurare bene questa asimmetria. Troviamo che tutte le immagini che abbiamo prodotto si possono suddividere principalmente in tre classi diverse (vedi foto sotto), nelle quali la parte più brillante si trova in punti differenti. Questo potrebbe voler dire semplicemente che c’è una rotazione del materiale che sta cadendo, e che questa dinamica cambia nel tempo. Però non riusciamo a seguirla e, quindi, al momento non possiamo trarre conclusioni.. Quando avete raccolto i dati che sono stati utilizzati per costruire l’immagine?
Nel 2017, insieme a quelli che sono stati utilizzati per la prima foto di M87. Avevamo effettuato una campagna di osservazioni per una settimana. Nel caso di M87, abbiamo realizzato quattro immagini in quattro giorni diversi. Nel caso di Sagittarius A*, abbiamo soltanto un’immagine relativa a un giorno di osservazioni, mentre abbiamo usato altri due giorni per effettuare alcuni test.
E avete già altri dati disponibili? Come proseguirà la ricerca nei prossimi anni?
Abbiamo effettuato altre osservazioni nel 2018, ci abbiamo provato nel 2019 ma non ci siamo riusciti, mentre nel 2020 siamo stati bloccati dalla pandemia. Poi però abbiamo rirpreso nel 2021 e anche quest’anno, con tre nuovi telescopi.
Ci aspettiamo che i nuovi dati siano molto migliori e che ci diano indicazioni più precise anche sui campi magnetici (come nel caso di M87), perché i modelli più accreditati già oggi ci dicono che abbiamo a che fare con gas molto magnetizzati. Verosimilmente, quindi, i campi magnetici sono importanti. Ma questo è uno studio che rimandiamo alla prossima pubblicazione.. Materiale scientifico
Paper I: The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way
Paper II: EHT and Multi-wavelength Observations, Data Processing, and Calibration
Paper III: Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole
Paper IV: Variability, Morphology, and Black Hole Mass
Paper V: Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole
Paper VI: Testing the Black Hole Metric
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