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Gli astronomi del CfA hanno contribuito a condurre uno studio scoprendo i cambiamenti nell’anello luminoso attorno al buco nero al centro della galassia M87, il primo di questi oggetti fotografato nel 2017, confermando la comprensione teorica del flusso variabile e turbolento di materiale intorno ai buchi neri.
Correva l’anno 2019 quando la comunità scientifica, nonché il mondo intero, rimasero attoniti all’annuncio che per la prima volta era stato fotografato un buco nero.
Detta così, sembra quasi un ossimoro: tutti sanno, infatti, che questi oggetti sono così chiamati proprio perché non emanano nessuna luce, a causa della loro fortissima forza di gravità che piega lo spazio tempo intorno a loro, intrappolando i raggi luminosi in un loop dal quale non possono mai uscire.
Ma attorno ai buchi neri succedono varie cose: la materia attratta verso di loro si muove a velocità prossime a quella della luce, scaldandosi ed emettendo onde radio.
Nel 2017, grazie all‘Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, una rete di radiotelescopi, per la prima volta sono state captate le suddette onde emanate dal buco nero al centro della galassia M87, nella costellazione della Vergine e distante 55 milioni di anni luce.
Analizzando i dati, gli astronomi sono riusciti a elaborare la foto dell’ombra de buco nero, pesante sei miliardi di volte il Sole, vale a dire la traccia della materia surriscaldata che circonda il mostruoso oggetto.
L’EHT ha rilasciato ora nuove immagini del buco nero supermassiccio al centro della galassia Messier 87 (M87*) utilizzando i dati delle osservazioni effettuate nell’aprile 2018, un anno dopo la prima osservazione.
La partecipazione del Greenland Telescope, recentemente commissionato, e un tasso di registrazione notevolmente migliorato in tutta la rete di radiotelescopi, ha permesso alle osservazioni del 2018 di darci una visione della sorgente indipendente dalle prime osservazioni del 2017.
Un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Astronomy & Astrophysics presenta nuove immagini dai dati del 2018 che rivelano un anello delle stesse dimensioni di quello originariamente osservato nel 2017.
Questo anello luminoso circonda l’apparente “ombra” del buco nero, la cui esistenza è prevista dalla teoria della relatività generale di Einstein.
Un chiaro cambiamento nella posizione della parte più luminosa dell’anello – uno spostamento di 30 gradi rispetto all’immagine del 2017 – conferma la nostra comprensione teorica del flusso variabile e turbolento di materiale intorno ai buchi neri.
Il Centro di Astrofisica | Harvard & Smithsonian (CfA) ha svolto un ruolo cruciale in questo lavoro. Il Greenland Telescope (GLT) è gestito congiuntamente dallo Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), che fa parte del CfA, e dall’Academia Sinica Institute of Astronomy & Astrophysics (ASIAA) di Taiwan. Il Submillimeter Array, anch’esso gestito congiuntamente da SAO e ASIAA, ha continuato a far parte dell’EHT. Michael Johnson della SAO è il presidente dell’EHT Science Council, e molti scienziati del CfA hanno lavorato all’interpretazione astrofisica della nuova immagine di M87*.
“Un requisito fondamentale della scienza è quello di essere in grado di riprodurre i risultati”, afferma il dottor Keiichi Asada, ricercatore associato presso l’ASIAA.
“La conferma dell’anello in un set di dati completamente nuovo è un’enorme pietra miliare per la nostra collaborazione e una forte indicazione che stiamo osservando l’ombra di un buco nero e il materiale che orbita intorno ad esso”.
“La prima immagine di un buco nero sembrava così simile alle previsioni matematiche che sembrava quasi un colpo di fortuna”, ha detto Dominic Chang, dottorando presso l’Università di Harvard e membro sia dell’EHT che della Black Hole Initiative di Cambridge, Massachusetts.
“Avere l’opportunità di fare nuovi test utilizzando nuovi dati, con un nuovo telescopio, e vedere la stessa struttura è una conferma cruciale delle nostre conclusioni più significative”.
Nel 2017, sette siti di radiotelescopi intorno alla Terra hanno puntato nella stessa direzione. Questi siti costituivano una rete globale chiamata EHT.
Le loro osservazioni hanno portato alla prima immagine di un buco nero. Questo oggetto, M87*, si trova nel cuore della galassia ellittica gigante Messier 87, a 55 milioni di anni luce dalla Terra.
L’immagine del buco nero ha rivelato un anello circolare luminoso, più luminoso nella parte meridionale dell’anello.
Un’ulteriore analisi dei dati ha anche rivelato la struttura di M87* nella luce polarizzata, dandoci una maggiore comprensione della geometria del campo magnetico e della natura del plasma intorno al buco nero.
Un anno dopo, l’EHT puntò di nuovo su M87*, ma con l’aggiunta del GLT.
La nuova era dell’imaging diretto dei buchi neri, guidata dall’analisi approfondita delle osservazioni del 2017 di M87*, apre una nuova finestra per studiare l’astrofisica dei buchi neri e ci permette di testare la teoria della relatività generale a un livello fondamentale.
I modelli teorici prevedono che il materiale intorno a M87* dovrebbe essere non correlato tra il 2017 e il 2018, fornendoci due istantanee separate della fonte.
Pertanto, osservazioni multiple di M87* aiutano a porre vincoli indipendenti sulla struttura del plasma e del campo magnetico intorno al buco nero e a districare la complicata astrofisica dagli effetti della relatività generale.
Per contribuire a realizzare una scienza nuova ed entusiasmante, l’EHT è in continuo sviluppo. Il GLT è entrato a far parte dell’EHT per la prima volta nel 2018, appena cinque mesi dopo che la sua costruzione è stata completata ben al di sopra del Circolo Polare Artico. Questo nuovo telescopio ha migliorato significativamente la qualità dell’immagine dell’array EHT, migliorando la copertura, in particolare nella direzione nord-sud.
Anche il Large Millimeter Telescope ha partecipato per la prima volta con la sua superficie di 50 m, migliorando notevolmente la sensibilità della rete EHT, che è stata anche aggiornata per osservare in quattro bande di frequenza intorno ai 230 GHz, rispetto alle sole due bande del 2017.
“Una delle proprietà notevoli di un buco nero è che il suo raggio dipende fortemente da una sola quantità: la sua massa”, ha detto il dottor Nitika Yadlapalli Yurk, ex studente laureato presso il California Institute of Technology (Caltech), ora borsista post-dottorato presso il Jet Propulsion Laboratory in California.
“Dal momento che M87* non sta accrescendo materiale (il che aumenterebbe la sua massa) ad un ritmo rapido, la relatività generale ci dice che il suo raggio rimarrà abbastanza invariato nel corso della storia umana. È piuttosto eccitante vedere che i nostri dati confermano questa previsione”.
“Il cambiamento più grande, che il picco di luminosità si è spostato intorno all’anello, è in realtà qualcosa che abbiamo previsto quando abbiamo pubblicato i primi risultati nel 2019”, ha detto la dott.ssa Britt Jeter, borsista post-dottorato presso l’Academia Sinica Institute for Astronomy and Astrophysics di Taiwan.
“Mentre la relatività generale dice che la dimensione dell’anello dovrebbe rimanere abbastanza fissa, l’emissione dal disco di accrescimento turbolento e disordinato attorno al buco nero farà oscillare la parte più luminosa dell’anello attorno a un centro comune. La quantità di oscillazione che vediamo nel tempo è qualcosa che possiamo usare per testare le nostre teorie per il campo magnetico e l’ambiente di plasma intorno al buco nero”.
Sulla base di questi nuovi risultati, SAO sta guidando la progettazione di un aggiornamento trasformativo dell’EHT.
“Il programma EHT di prossima generazione (ngEHT) espanderà la rete aggiungendo nuove antenne radio in tutto il mondo ed estendendo le osservazioni su molte frequenze radio, con l’obiettivo di realizzare i primi film sui buchi neri”, ha detto Sheperd Doeleman, che guida l’ngEHT ed è il direttore fondatore dell’EHT. “Entro la fine di questo decennio avremo tutti posti in prima fila per il cinema dei buchi neri”.
