L'idea dei buchi neri risale al 1783, quando lo scienziato di Cambridge John Michell si rese conto che un oggetto sufficientemente massiccio in uno spazio sufficientemente piccolo poteva attrarre anche la luce senza lasciarla sfuggire. Più di un secolo dopo, Karl Schwarzschild trovò una soluzione esatta alla teoria della relatività generale di Einstein, che prevedeva lo stesso risultato: un buco nero. Sia Michell che Schwarzschild hanno previsto una chiara connessione tra l'orizzonte degli eventi, o il raggio della regione da cui la luce non può sfuggire, e la massa del buco nero.
Per 103 anni dopo la previsione di Schwarzschild, non è stato possibile verificarla. E solo il 10 aprile 2019, gli scienziati hanno scoperto la prima fotografia in assoluto dell'orizzonte degli eventi. La teoria di Einstein funzionò di nuovo, come sempre.
Sebbene sapessimo già molto sui buchi neri, anche prima della prima istantanea dell'orizzonte degli eventi, è cambiato e chiarito molto. Avevamo molte domande che ora hanno risposta.
Il 10 aprile 2019, la collaborazione con Event Horizon Telescope ha presentato la prima istantanea riuscita dell'orizzonte degli eventi del buco nero. Questo buco nero si trova in Messier 87: la galassia più grande e massiccia nel nostro superammasso locale di galassie. Il diametro angolare dell'orizzonte degli eventi era di 42 microarco secondi. Ciò significa che occorrono 23 quadrilioni di buchi neri della stessa dimensione per coprire l'intero cielo.
A 55 milioni di anni luce di distanza, la massa stimata del buco nero è 6,5 miliardi di volte quella del Sole. Fisicamente, questo corrisponde a una dimensione maggiore della dimensione dell'orbita di Plutone attorno al Sole. Se non ci fosse un buco nero, la luce impiegherebbe circa un giorno a passare attraverso il diametro dell'orizzonte degli eventi. E solo perché:
- il telescopio dell'orizzonte degli eventi ha una risoluzione sufficiente per vedere questo buco nero
- buco nero emette onde radio fortemente
- pochissime onde radio in sottofondo per interferire con il segnale
siamo riusciti a ottenere questo primo scatto. Da cui abbiamo ora tratto dieci profonde lezioni.
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Abbiamo imparato che aspetto ha un buco nero. Qual è il prossimo?
Questo è davvero un buco nero, come previsto dalla relatività generale. Se hai mai visto un articolo intitolato "il teorico afferma coraggiosamente che i buchi neri non esistono" o "questa nuova teoria della gravità potrebbe ribaltare Einstein", supponi che i fisici non abbiano problemi a inventare teorie alternative. Anche se la relatività generale ha superato tutti i test a cui la sottoponiamo, i fisici non mancano di estensioni, sostituzioni o possibili alternative.
E l'osservazione di un buco nero ne esclude un numero enorme. Ora sappiamo che questo è un buco nero, non un wormhole. Sappiamo che l'orizzonte degli eventi esiste e che questa non è una singolarità nuda. Sappiamo che l'orizzonte degli eventi non è una superficie solida, poiché la materia in caduta deve emettere una firma infrarossa. E tutte queste osservazioni sono coerenti con la relatività generale.
Tuttavia, questa osservazione non dice nulla sulla materia oscura, sulle teorie più modificate sulla gravità, sulla gravità quantistica o su ciò che si trova dietro l'orizzonte degli eventi. Queste idee vanno oltre lo scopo delle osservazioni di EHT.
La dinamica gravitazionale delle stelle fornisce buone stime per le masse di un buco nero; osservazione del gas - no. Prima della prima immagine di un buco nero, avevamo diversi modi per misurare le masse dei buchi neri.
Potremmo usare le misurazioni delle stelle - come le orbite individuali delle stelle vicino a un buco nero nella nostra galassia, o le linee di assorbimento delle stelle in M87 - che ci hanno dato la massa gravitazionale, o le emissioni del gas che si muove intorno al buco nero centrale.
Sia per la nostra galassia che per M87, queste due stime erano molto diverse: le stime gravitazionali erano del 50-90% più alte di quelle gassose. Per M87, le misurazioni del gas hanno mostrato che il buco nero ha 3,5 miliardi di soli e le misurazioni gravitazionali erano più vicine a 6,2 - 6,6 miliardi, ma i risultati dell'EHT hanno mostrato che il buco nero ha 6,5 miliardi di masse solari, il che significa, la dinamica gravitazionale è un eccellente indicatore delle masse dei buchi neri, ma le conclusioni sui gas si stanno spostando verso valori inferiori. Questa è una grande opportunità per rivisitare le nostre ipotesi astrofisiche sul gas orbitale.
Dovrebbe essere un buco nero rotante e il suo asse di rotazione punta lontano dalla Terra. Attraverso le osservazioni dell'orizzonte degli eventi, le emissioni radio intorno ad esso, un getto su larga scala e le emissioni radio estese misurate da altri osservatori, l'EHT ha stabilito che si tratta di un buco nero di Kerr (rotante), non un buco nero di Schwarzschild (non rotante).
Non c'è una singola caratteristica semplice di un buco nero che potremmo studiare per determinare questa natura. Invece, dobbiamo costruire modelli del buco nero stesso e della materia al di fuori di esso, e poi svilupparli per capire cosa sta succedendo. Quando cerchi possibili segnali che potrebbero emergere, hai l'opportunità di limitarli in modo che siano coerenti con i tuoi risultati. Questo buco nero dovrebbe ruotare e l'asse di rotazione punta dalla Terra a circa 17 gradi.
Alla fine siamo stati in grado di determinare la presenza di materiale intorno al buco nero, corrispondente ai dischi e ai flussi di accrescimento. Sapevamo già che M87 aveva un getto - dalle osservazioni ottiche - e che emetteva anche nelle gamme radio e dei raggi X. Questo tipo di radiazione non può essere ottenuto solo da stelle o fotoni: hai bisogno di materia, oltre che di elettroni. Solo accelerando gli elettroni in un campo magnetico possiamo ottenere la caratteristica emissione radio che abbiamo visto: la radiazione di sincrotrone.
E ci è voluta anche una quantità incredibile di lavoro di modellazione. Modificando tutti i possibili parametri di tutti i possibili modelli, imparerai che queste osservazioni non solo richiedono flussi di accrescimento per spiegare i risultati radio, ma prevedono anche necessariamente risultati non radio, come i raggi X. Le osservazioni più importanti sono state effettuate non solo dall'EHT, ma anche da altri osservatori come il telescopio a raggi X Chandra. I flussi di accrescimento dovrebbero riscaldarsi, come evidenziato dallo spettro delle emissioni magnetiche di M87, in accordo con gli elettroni acceleratori relativistici in un campo magnetico.
L'anello visibile mostra la forza di gravità e la lente gravitazionale attorno al buco nero centrale; e di nuovo fu testata la relatività generale. Questo anello nel raggio radio non corrisponde all'orizzonte degli eventi stesso e non corrisponde all'anello delle particelle rotanti. E non è nemmeno l'orbita circolare più stabile di un buco nero. No, questo anello nasce da una sfera di fotoni con lenti gravitazionali i cui percorsi sono piegati dalla gravità del buco nero nel loro cammino verso i nostri occhi.
Questa luce si piega in una sfera più grande di quanto ci si aspetterebbe se la gravità non fosse così forte. Come scrive la Event Horizon Telescope Collaboration:
"Abbiamo scoperto che più del 50% del flusso totale in secondi d'arco passa vicino all'orizzonte e che questa radiazione viene bruscamente soppressa quando entra in questa regione, di un fattore 10, che è la prova diretta dell'ombra prevista del buco nero".
La teoria della relatività generale di Einstein si è dimostrata corretta ancora una volta.
I buchi neri sono fenomeni dinamici, la loro radiazione cambia nel tempo. Con una massa di 6,5 miliardi di soli, la luce impiegherà circa un giorno per attraversare l'orizzonte degli eventi del buco nero. Questo stabilisce approssimativamente il lasso di tempo in cui possiamo aspettarci di vedere cambiamenti e fluttuazioni nell'emissione osservata dall'EHT.
Anche osservazioni durate diversi giorni ci hanno permesso di confermare che la struttura della radiazione emessa cambia nel tempo, come previsto. I dati del 2017 contengono quattro notti di osservazioni. Anche guardando queste quattro immagini, si può vedere visivamente che le prime due hanno caratteristiche simili e anche le ultime due, tuttavia, ci sono differenze significative tra la prima e l'ultima. In altre parole, le proprietà della radiazione attorno a un buco nero in M87 cambiano nel tempo.
In futuro l'EHT rivelerà l'origine fisica delle esplosioni di buchi neri. Abbiamo visto, sia nei raggi X che nelle bande radio, che un buco nero al centro della nostra Via Lattea sta emettendo brevi raffiche di radiazioni. Sebbene la primissima immagine di un buco nero presentata mostrava un oggetto supermassiccio in M87, il buco nero nella nostra galassia - Sagittario A * - sarà altrettanto grande, cambiando solo più velocemente.
Rispetto alla massa di M87 - 6,5 miliardi di masse solari - la massa del Sagittario A * sarà solo di 4 milioni di masse solari: 0,06% della prima. Ciò significa che le fluttuazioni non saranno più osservate durante il giorno, ma anche entro un minuto. Le caratteristiche del buco nero cambieranno rapidamente e quando si verifica un'epidemia, possiamo rivelarne la natura.
In che modo i bagliori sono correlati alla temperatura e alla luminosità dell'immagine radio che abbiamo visto? C'è una riconnessione magnetica come nelle espulsioni di massa coronale del nostro Sole? C'è qualcosa che sta scoppiando nei flussi di accrescimento? Il Sagittario A * lampeggia ogni giorno, quindi possiamo collegare tutti i segnali di cui abbiamo bisogno con questi eventi. Se i nostri modelli e le nostre osservazioni sono buoni come lo erano per M87, potremmo essere in grado di determinare cosa guida questi eventi e forse anche sapere cosa sta cadendo nel buco nero, creandoli.
Emergeranno dati di polarizzazione che riveleranno se i buchi neri hanno il proprio campo magnetico. Mentre eravamo tutti decisamente felici di vedere la prima istantanea dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, è importante capire che presto emergerà un'immagine completamente unica: la polarizzazione della luce che emana da un buco nero. A causa della natura elettromagnetica della luce, la sua interazione con il campo magnetico imprimerà su di essa una particolare firma di polarizzazione, permettendoci di ricostruire il campo magnetico del buco nero, nonché come cambia nel tempo.
Sappiamo che la materia al di fuori dell'orizzonte degli eventi, essendo essenzialmente particelle cariche in movimento (come gli elettroni), genera il proprio campo magnetico. I modelli indicano che le linee di campo possono rimanere nei flussi di accrescimento o passare attraverso l'orizzonte degli eventi, formando una sorta di "ancora" nel buco nero. Esiste una connessione tra questi campi magnetici, l'accrescimento e la crescita dei buchi neri e i getti. Senza questi campi, la materia nei flussi di accrescimento non potrebbe perdere il momento angolare e cadere nell'orizzonte degli eventi.
I dati di polarizzazione, grazie alla potenza dell'imaging polarimetrico, ce lo diranno. Abbiamo già i dati: resta da fare un'analisi completa.
Il miglioramento del telescopio Event Horizon rivelerà la presenza di altri buchi neri vicino ai centri galattici. Quando un pianeta ruota attorno al Sole, non è solo dovuto al fatto che il Sole ha un effetto gravitazionale sul pianeta. C'è sempre una reazione uguale e contraria: il pianeta influenza il sole. Allo stesso modo, quando un oggetto orbita attorno a un buco nero, esercita anche una pressione gravitazionale sul buco nero. In presenza di un intero insieme di masse vicino ai centri delle galassie - e, in teoria, molti buchi neri invisibili finora - il buco nero centrale dovrebbe letteralmente tremare al suo posto, essendo separato dal moto browniano dei corpi circostanti.
Il trucco per effettuare questa misurazione oggi è che hai bisogno di un punto di riferimento per calibrare la tua posizione rispetto alla posizione del buco nero. La tecnica per una tale misurazione presuppone che si guardi il calibratore, quindi la sorgente, di nuovo il calibratore, di nuovo la sorgente e così via. Allo stesso tempo, devi muovere lo sguardo molto rapidamente. Sfortunatamente, l'atmosfera cambia molto rapidamente e molto può cambiare in 1 secondo, quindi semplicemente non avrai il tempo di confrontare due oggetti. In ogni caso, non con la tecnologia moderna.
Ma la tecnologia in quest'area si sta sviluppando in modo incredibilmente veloce. Gli strumenti utilizzati sull'EHT sono in attesa di aggiornamenti e potrebbero essere in grado di raggiungere la velocità richiesta entro la metà degli anni '20. Questo enigma potrebbe essere risolto entro la fine del prossimo decennio, grazie a una strumentazione migliorata.
Infine, Event Horizon Telescope finirà per vedere centinaia di buchi neri. Per smontare un buco nero, la risoluzione dell'array del telescopio deve essere migliore (cioè alta risoluzione) della dimensione dell'oggetto che stai cercando. Attualmente, l'EHT può distinguere solo tre buchi neri noti nell'Universo con un diametro sufficientemente grande: Sagittarius A *, il centro di M87, il centro della galassia NGC 1277.
Ma possiamo aumentare la potenza dell'occhio del telescopio Event Horizon fino alle dimensioni della Terra se lanciamo i telescopi in orbita. In teoria, questo è già tecnicamente realizzabile. L'aumento del numero di telescopi aumenta il numero e la frequenza delle osservazioni, nonché la risoluzione.
Apportando i miglioramenti necessari, invece di 2-3 galassie, saremo in grado di trovare centinaia di buchi neri o anche di più. Il futuro degli album fotografici dei buchi neri sembra luminoso.
Il progetto Event Horizon Telescope era costoso, ma ha dato i suoi frutti. Oggi viviamo nell'era dell'astronomia dei buchi neri e abbiamo finalmente potuto osservarli con i nostri occhi. Questo è solo l'inizio.
Ilya Khel
