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Nuove analisi statistiche del buco nero supermassiccio M87* potrebbero spiegare i cambiamenti osservati da quando è stato fotografato per la prima volta.
Nuove analisi statistiche del buco nero supermassiccio M87* potrebbero spiegare i cambiamenti osservati da quando è stato fotografato per la prima volta. I risultati, provenienti dallo stesso Event Horizon Telescope (EHT) che ha prodotto la prima immagine iconica dell’ombra di un buco nero, confermano che l’asse di rotazione di M87* punta lontano dalla Terra.
Le analisi indicano anche che la turbolenza all’interno dell’involucro rotante di gas che circonda il buco nero – il disco di accrescimento – gioca un ruolo nel modificarne l’aspetto.
La prima immagine dell’ombra di M87* si basava su osservazioni effettuate nel 2017, anche se l’immagine stessa non è stata rilasciata fino al 2019.
Assomiglia a una ciambella infuocata, con l’ombra che appare come una regione scura circa tre volte il diametro dell’orizzonte degli eventi del buco nero (il punto oltre il quale nemmeno la luce può sfuggire alla sua attrazione gravitazionale) e il disco di accrescimento che forma un anello luminoso attorno ad esso.
Poiché l’ombra è causata dalla curvatura gravitazionale e dalla cattura della luce all’orizzonte degli eventi, le sue dimensioni e la sua forma possono essere utilizzate per dedurre la massa del buco nero.
Più grande è l’ombra, maggiore è la massa. Nel 2019, il team dell’EHT ha calcolato che M87* ha una massa di circa 6,5 miliardi di volte quella del nostro Sole, in linea con le precedenti previsioni teoriche.
I membri del team hanno anche determinato che il raggio dell’orizzonte degli eventi è di 3,8 micro-secondi d’arco; che il buco nero stia ruotando in senso orario; e che la sua rotazione punti lontano da noi.
Regione calda e violenta
L’ultima analisi si concentra meno sull’ombra e più sull’anello luminoso al di fuori di essa.
Man mano che la materia accelera, produce enormi quantità di luce.
Nelle vicinanze del buco nero, questa accelerazione si verifica quando la materia viene risucchiata nel buco nero, ma si verifica anche quando la materia viene espulsa in getti. Il modo in cui questi getti si formano non è ancora del tutto chiaro, ma alcuni astrofisici pensano che i campi magnetici potrebbero essere responsabili.
Infatti, nel 2021, quando i ricercatori che lavoravano all’EHT hanno analizzato la polarizzazione della luce emessa dalla regione luminosa, hanno concluso che solo la presenza di un gas fortemente magnetizzato poteva spiegare le loro osservazioni.
Il nuovo risultato rafforza le interpretazioni precedenti
La parte dell’anello che ci appare più luminosa deriva dal movimento relativistico della materia in senso orario vista dalla Terra.
Nelle osservazioni originali del 2017, questa regione luminosa era più “a sud” nell’immagine di quanto il team EHT si aspettasse.
Tuttavia, quando i membri del team hanno confrontato queste osservazioni con quelle del 2018, hanno scoperto che la regione è tornata alla sua posizione media.
Questo risultato ha corroborato le simulazioni al computer della magnetoidrodinamica relativistica generale dell’ambiente turbolento che circonda il buco nero.
Anche nelle osservazioni del 2018, tuttavia, l’anello rimane più luminoso nella parte inferiore dell’immagine. Secondo il membro del team Bidisha Bandyopadhyay, ricercatore post-dottorato presso l’Universidad de Concepción in Cile, questa scoperta fornisce informazioni sostanziali sullo spin del buco nero e rafforza la precedente interpretazione del team EHT del suo orientamento: l’asse di rotazione del buco nero punta lontano dalla Terra.
Le analisi rivelano anche che la turbolenza all’interno del disco di accrescimento può aiutare a spiegare le differenze osservate nella regione luminosa da un anno all’altro.
Interferometria a linea di base molto lunga
Per osservare M87* in dettaglio, il team dell’EHT aveva bisogno di uno strumento con una risoluzione angolare paragonabile all’orizzonte degli eventi del buco nero, che è di circa decine di microsecondi d’arco.
Raggiungere questa risoluzione con un normale telescopio richiederebbe una parabola delle dimensioni della Terra, cosa che chiaramente non è possibile. Invece, l’EHT utilizza l’interferometria a base molto lunga, che prevede il rilevamento di segnali radio da una sorgente astronomica utilizzando una rete di singoli radiotelescopi e array telescopici sparsi in tutto il mondo.
Le strutture che hanno contribuito a questo lavoro sono state l’Atacama Large Millimeter Array (ALMA) e l’Atacama Pathfinder Experiment, entrambi in Cile; il South Pole Telescope (SPT) in Antartide; il telescopio IRAM da 30 metri e l’Osservatorio NOEMA in Spagna; il James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) e il Submillimeter Array (SMA) a Mauna Kea, Hawaii, Stati Uniti; il Large Millimeter Telescope (LMT) in Messico; il Kitt Peak Telescope in Arizona, Stati Uniti; e il Greenland Telescope (GLT). La distanza tra questi telescopi – la linea di base – varia da 160 m a 10 700 km. I dati sono stati correlati presso il Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Germania e l’Osservatorio Haystack del MIT negli Stati Uniti.
“Questo lavoro dimostra la potenza dell’analisi multi-epoca su scala dell’orizzonte, fornendo un nuovo approccio statistico allo studio del comportamento dinamico dei sistemi di buchi neri”, afferma Hung-Yi Pu, membro del team EHT, della National Taiwan Normal University.
“La metodologia che abbiamo impiegato apre la porta a indagini più approfondite sull’accrescimento e la variabilità dei buchi neri, offrendo un modo più sistematico per caratterizzare le loro proprietà fisiche nel tempo”.
Guardando al futuro, gli astronomi dell’ETH hanno in programma di continuare ad analizzare le osservazioni effettuate nel 2021 e nel 2022.
Con questi risultati, mirano a porre vincoli ancora più stretti sui modelli degli ambienti di accrescimento dei buchi neri.
Immagine: Ilje Cho
