I telescopi/array di telescopi associati al telescopio Event Horizon hanno puntato su Messier 87. Questo è l’aspetto di un buco nero supermassiccio, e l’orizzonte degli eventi è chiaramente visibile. Event Horizon Telescope collaboration et al.

La varietà non è solo la spezia della vita, ma una conseguenza naturale del vivere nel nostro universo. La gravitazione, obbedendo alle stesse leggi universali su tutte le scale, crea gruppi e ammassi di materia in un’enorme serie di combinazioni, da tenui nubi di gas a stelle massicce, tutte assemblate in galassie, ammassi e una grande rete cosmica.

Dalla nostra prospettiva sulla Terra, c’è una quantità enorme da osservare. Tuttavia, non possiamo vedere tutto. Quando le stelle più massicce muoiono, i loro corpi diventano buchi neri. Con così tanta massa in un così piccolo volume di spazio, niente – nessun segnale di nessun tipo – può uscire. Possiamo rilevare la materia e la luce emessa intorno a questi buchi neri, ma all’interno dell’orizzonte degli eventi, nulla sfugge. In un’incredibile storia di successo per la scienza, abbiamo appena imitato con successo un orizzonte degli eventi per la prima volta. Ecco cosa abbiamo visto, come abbiamo fatto e cosa abbiamo imparato.

quello al centro della galassia M87, è circa 1000 volte più grande del buco nero della Via Lattea, ma è oltre 2000 volte più lontano. Il getto relativistico che emana dal suo nucleo centrale è uno dei più grandi e collimati mai osservati. Questa è la galassia che ci mostra il nostro primo orizzonte degli eventi. ESA/Hubble e NASA

Cosa abbiamo visto? Quello che si vede dipende da dove si guarda e da come si osserva. Se vogliamo vedere un orizzonte degli eventi, la nostra migliore scommessa è stata quella di guardare il buco nero che sarebbe apparso più grande dalla nostra prospettiva sulla Terra. Ciò significa che deve avere il maggior rapporto tra le dimensioni fisiche effettive e la sua distanza da noi. Mentre ci possono essere fino a un miliardo di buchi neri presenti nella nostra galassia, il più massiccio che conosciamo – di gran lunga – si trova a circa 25.000 anni luce di distanza: al centro della galassia della Via Lattea.

Questo è il più grande buco nero, in termini di dimensione angolare del suo orizzonte degli eventi, visibile dalla Terra, con una massa stimata di 4 milioni di soli. Il secondo più grande è molto più distante ma molto, molto più grande: il buco nero al centro di M87. Questo buco nero è distante circa 60 milioni di anni luce, ma ha una massa stimata di 6,6 miliardi di Soli.

che si staglia sullo sfondo delle emissioni radio da dietro di esso, sono rivelati dal telescopio Event Horizon in una galassia a circa 60 milioni di anni luce. La massa del buco nero al centro di M87, come ricostruita dall’Event Horizon Telescope, risulta essere di 6,5 miliardi di masse solari. Event Horizon Telescope collaboration et al.

L’Event Horizon Telescope ha tentato di fotografare gli orizzonti degli eventi di entrambi, con risultati contrastanti. Originariamente stimato come leggermente più grande della sua controparte M87, il buco nero al centro della Via Lattea – conosciuto come Sagittarius A* – non ha ancora avuto il suo orizzonte degli eventi. Quando si osserva l’Universo, non sempre si ottiene ciò che ci si aspetta; a volte, si ottiene ciò che esso ci dà. Invece, è stato il buco nero di M87 a passare per primo, un segnale molto più luminoso e molto più pulito.

Quello che abbiamo trovato è spettacolare. Quei pixel scuri al centro dell’immagine sono in realtà la silhouette dell’orizzonte degli eventi stesso. La luce che osserviamo proviene dalla materia accelerata e riscaldata intorno ad esso, che deve emettere radiazioni elettromagnetiche. Dove la materia esiste, emette onde radio, e il cerchio scuro che vediamo è dove le onde radio di fondo sono bloccate dall’orizzonte degli eventi stesso.

buco nero al centro della nostra galassia: Sagittarius A*. Ha una massa di circa quattro milioni di Soli, e si trova circondato da gas caldo che emette raggi X. Raggi X: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Per M87, abbiamo visto tutto quello che potevamo sperare. Ma per Sagittarius A*, non siamo stati altrettanto fortunati.

Quando si osserva un buco nero, quello che si cerca di vedere è la luce radio di fondo che circonda l’enorme massa al centro di una galassia, dove l’orizzonte degli eventi del buco nero stesso si trova in primo piano su una parte della luce, rivelando una silhouette. Questo richiede tre cose che si allineano tutte a tuo favore:

1. Devi avere la giusta risoluzione, il che significa che il tuo telescopio (o l’array di telescopi) deve vedere l’oggetto che stai visualizzando come più di un singolo pixel.
2. Hai bisogno di una galassia che è radio-forte, il che significa che emette un fondo radio che è sufficientemente forte da distinguersi effettivamente contro la sagoma dell’orizzonte degli eventi.
3. E hai bisogno di una galassia che sia radiotrasparente, nel senso che puoi effettivamente vedere fino al buco nero senza essere confuso da segnali radio di primo piano.

quello al centro della galassia M87, è mostrato in tre viste qui. In alto è ottica da Hubble, in basso a sinistra è radio da NRAO, e in basso a destra è raggi X da Chandra. Nonostante la sua massa di 6,6 miliardi di Soli, è oltre 2000 volte più lontano di Sagittarius A*. L’Event Horizon Telescope ha tentato di vedere il suo buco nero alla radio, e ha avuto successo, mentre la sua vista di Sagittarius A* non lo è stata. In alto, ottico, Hubble Space Telescope / NASA / Wikisky; in basso a sinistra, radio, NRAO / Very Large Array (VLA); in basso a destra, raggi X, NASA / Chandra X-ray telescope

Abbiamo visto le emissioni estese dai buchi neri molte volte in molte lunghezze d’onda della luce, anche nella parte radio dello spettro. Mentre M87 può soddisfare tutti e tre i criteri necessari, il buco nero al centro della nostra galassia non aveva un rapporto segnale-rumore sufficiente per creare un’immagine, forse a causa dei livelli molto più bassi di intensità della radiazione. Peccato, perché ci sarebbe piaciuto avere un’immagine migliore di un secondo buco nero, e il più grande, per dimensione angolare, nel cielo della Terra. Abbiamo l’Universo che abbiamo, però, non quello che speriamo.

Il terzo buco nero più grande visto dalla Terra è al centro della lontana galassia NGC 1277. Mentre il telescopio Event Horizon ha la risoluzione giusta per vederlo, è una galassia silenziosa, e quindi non c’è abbastanza fondo radio per vedere la sihouette. Il quarto buco nero più grande è vicino, al centro di Andromeda, ma la nostra risoluzione, anche con l’Event Horizon Telescope, è troppo bassa per vederlo.

Gli array che contribuiscono alle capacità di imaging dell’Event Horizon Telescope da uno degli emisferi della Terra. I dati presi dal 2011 al 2017, e in particolare nel 2017, ci hanno permesso di costruire per la prima volta un’immagine dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Come l’abbiamo visto? Questa è la parte più notevole. L’Event Horizon Telescope, come ogni telescopio, ha bisogno di due diversi aspetti dei dati che raccoglie per superare una soglia critica.

1. Ha bisogno di raccogliere abbastanza luce per distinguere il segnale dal rumore, le regioni radio-rumorose dalle regioni radio-silenziose, e la regione che circonda il buco nero dal resto dell’ambiente intorno al centro galattico.
2. Deve raggiungere una risoluzione sufficientemente alta in modo che i dettagli precisi possano essere localizzati nella loro corretta posizione angolare nello spazio.

Abbiamo bisogno di entrambi per ricostruire qualsiasi dettaglio di qualsiasi oggetto astronomico, incluso un buco nero. L’Event Horizon Telescope ha dovuto superare una sfida enorme per ottenere un’immagine di qualsiasi buco nero, a causa dell’esiguità delle sue dimensioni angolari.

simulato qui, è il più grande visto dalla prospettiva della Terra. L’Event Horizon Telescope è appena uscito con, poco fa (10 aprile 2019), la loro prima immagine di come appare l’orizzonte degli eventi di qualsiasi buco nero. La dimensione dell’orizzonte degli eventi (bianco) e la dimensione della regione priva di luce (nero) hanno i rapporti previsti dalla teoria della relatività generale e dalla massa del buco nero stesso. Ute Kraus, gruppo di educazione fisica Kraus, Universität Hildesheim; background: Axel Mellinger

Perché le regioni intorno ai buchi neri sono accelerate a velocità così grandi, la materia al loro interno – costituita da particelle cariche – genera forti campi magnetici. Quando una particella carica si muove in un campo magnetico, emette radiazioni, ed è da lì che provengono i segnali radio. Anche un radiotelescopio di modeste dimensioni, di pochi metri di diametro, è sufficiente per captare il segnale. In termini di potenza di raccolta della luce, osservare il segnale sopra il rumore è abbastanza facile.

Ma la risoluzione è estremamente impegnativa. Dipende dal numero di lunghezze d’onda della luce che possono passare attraverso il diametro del telescopio. Per vedere il minuscolo buco nero al centro della nostra galassia, avremmo bisogno di un telescopio ottico con un diametro di 5.000 metri; nella radio, dove le onde sono molto più lunghe, avremmo bisogno di un diametro di circa 12.000.000 metri!

I telescopi partecipanti all’Event Horizon Telescope (EHT) e al Global mm-VLBI Array (GMVA). Ha ripreso, per la prima volta, l’ombra dell’orizzonte degli eventi di un buco nero supermassiccio. ESO/O. Furtak

Ecco perché l’Event Horizon Telescope è così potente e intelligente. La tecnica che usa è conosciuta come Very Long Baseline Interferometry (VLBI), che fondamentalmente prende due o più telescopi che possono fare gli stessi tipi di osservazioni da due posizioni distinte, e li blocca insieme.

Facendo osservazioni simultanee, si ottiene solo la potenza di raccolta della luce delle singole parabole sommata, ma si ottiene la risoluzione della distanza tra le parabole. Attraversando il diametro della Terra con molti telescopi diversi (o array di telescopi) simultaneamente, siamo stati in grado di ottenere i dati necessari per risolvere l’orizzonte degli eventi.

La velocità è stata il fattore limitante negli studi simili all’EHT. Proto-EHT è iniziato nel 2007, ed era in grado di fare assolutamente nessuna delle scienze che sta facendo oggi. Questo è uno screenshot da un discorso di Avery Broderick, scienziato dell’EHT. Perimeter Institute

I tassi di dati erano incredibili:

• Registra un’onda ad una frequenza che corrisponde a 230 miliardi di osservazioni al secondo.
• Che corrisponde a 8 GB al secondo in ogni stazione.
• Con 8 stazioni di telescopi/array di telescopi, un’ora di osservazioni continue ti dà 225 TB di dati.
• Per una settimana di osservazioni, si arriva a 27 PB (petabyte) di dati!

Tutto per una singola immagine di un buco nero. Dopo che i moduli di dati per M87 sono stati riuniti, aveva 5 PB di dati grezzi con cui lavorare!

come fotografato con le nubi di Magellano sopra la testa. Un gran numero di parabole vicine, come parte di ALMA, aiuta a creare molte delle immagini più dettagliate nelle aree, mentre un numero più piccolo di parabole più distanti aiuta ad affinare i dettagli nei luoghi più luminosi. L’aggiunta di ALMA all’Event Horizon Telescope ha reso possibile la costruzione di un’immagine dell’orizzonte degli eventi. ESO/C. Malin

Quindi, cosa abbiamo imparato? Beh, ci sono un sacco di cose che abbiamo imparato, e ci saranno molte storie sui diversi dettagli e sfumature che verranno fuori nei prossimi giorni e settimane. Ma ci sono quattro grandi risultati che chiunque dovrebbe essere in grado di apprezzare.

Primo e più importante, i buchi neri esistono davvero! La gente ha inventato ogni sorta di schemi e scenari bizzarri per evitarli, ma la prima immagine diretta di un orizzonte degli eventi dovrebbe mettere a tacere tutti quei dubbi. Non solo abbiamo tutte le prove indirette di LIGO, le misure gravitazionali delle orbite intorno al centro galattico e i dati delle binarie a raggi X, ma ora abbiamo un’immagine diretta dell’orizzonte degli eventi.

Secondo e quasi altrettanto sconvolgente, la Relatività Generale vince ancora! La teoria di Einstein aveva previsto che l’orizzonte degli eventi sarebbe stato sferico, piuttosto che oblato o prolato, e che la regione priva di radiazione sarebbe stata di una dimensione particolare basata sulla massa misurata del buco nero. L’orbita circolare stabile più interna, prevista dalla Relatività Generale, mostra i fotoni luminosi che sono gli ultimi a sfuggire all’attrazione gravitazionale del buco nero.

Ancora una volta, la Relatività Generale, anche quando sottoposta a un nuovo test, è emersa imbattuta!

la Via Lattea può apparire al telescopio Event Horizon, a seconda del suo orientamento rispetto a noi. Queste simulazioni presuppongono che l’orizzonte degli eventi esista, che le equazioni che governano la relatività siano valide e che abbiamo applicato i giusti parametri al nostro sistema di interesse. Da notare che queste simulazioni sono già vecchie di 10 anni, risalenti al 2009. Wow, erano buone! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

In terzo luogo, abbiamo imparato che le nostre simulazioni per prevedere come dovrebbero essere le emissioni radio intorno al buco nero erano davvero, davvero buone! Questo ci dice che non solo comprendiamo molto bene gli ambienti intorno ai buchi neri, ma che comprendiamo anche le dinamiche della materia e del gas che vi orbitano. Questo è un risultato piuttosto spettacolare!

E in quarto luogo, abbiamo imparato che la massa del buco nero che abbiamo dedotto dalle osservazioni gravitazionali è corretta, e la massa del buco nero che abbiamo dedotto dalle osservazioni a raggi X è sistematicamente troppo bassa. Per M87, queste stime differivano di un fattore 2; per Sagittarius A*, differivano di un fattore 1,5.

Ora sappiamo che la gravità è la strada da percorrere, poiché le stime di 6,6 miliardi di massa solare dalla gravità di M87 concordano in modo spettacolare con la conclusione di 6,5 miliardi di massa solare dell’Event Horizon Telescope. Le nostre osservazioni a raggi X, infatti, sono orientate verso valori troppo bassi.

buco nero supermassiccio nel nucleo della Via Lattea. Queste stelle, se osservate nell’infrarosso, possono avere le loro orbite tracciate entro pochi anni luce da Sagittarius A*, permettendo di ricostruire la massa del buco nero centrale. Metodi simili, ma più complicati, sono stati usati per ricostruire la massa gravitazionale del buco nero in M87. Risolvendo il buco nero centrale direttamente in M87, siamo stati in grado di confermare che le masse dedotte dalla gravitazione corrispondono alle dimensioni reali dell’orizzonte degli eventi, mentre le osservazioni a raggi X non lo fanno. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Ci saranno altre cose da imparare mentre continuiamo a fare scienza con l’Event Horizon Telescope. Possiamo imparare perché i buchi neri si infiammano, e se ci sono caratteristiche transitorie che si mostrano nel disco di accrescimento, come i blob caldi. Possiamo imparare se la posizione di un buco nero centrale si sposta nel tempo, permettendoci di dedurre l’esistenza di buchi neri più piccoli, finora invisibili, vicino a quelli centrali supermassicci. Possiamo imparare, man mano che raccogliamo più buchi neri, se le masse che deduciamo per i buchi neri dai loro effetti gravitazionali o dalle loro emissioni di raggi X, sono universalmente falsate o no. E possiamo imparare se i dischi di accrescimento hanno un allineamento universale con le galassie che li ospitano oppure no.

Faccia-su (due pannelli a sinistra) o bordo-su (due pannelli a destra) possono alterare enormemente il modo in cui il buco nero ci appare. Non sappiamo ancora se esiste un allineamento universale o un insieme di allineamenti casuali tra buchi neri e dischi di accrescimento. Verso l’orizzonte degli eventi: il buco nero supermassiccio nel centro galattico”, Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

Non possiamo conoscere queste risposte solo con i nostri primi risultati, ma questo è solo l’inizio. Ora viviamo in un mondo in cui possiamo immaginare direttamente gli orizzonti degli eventi dei buchi neri. Sappiamo che i buchi neri esistono; sappiamo che gli orizzonti degli eventi sono reali; sappiamo che la teoria della gravità di Einstein è stata confermata in un modo senza precedenti. E ogni ultimo dubbio persistente sul fatto che i bestioni supermassicci al centro delle galassie siano davvero buchi neri è ormai evaporato.

I buchi neri sono reali, e sono spettacolari. Almeno nella parte radio dello spettro, grazie all’incredibile risultato del telescopio Event Horizon, li stiamo vedendo come mai prima d’ora.

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