La prima prova visiva dell’orizzonte degli eventi dei buchi neri

L’orizzonte degli eventi: la foto che cambia l’astronomia e non solo. Dopo un decennio di lavoro e un’attesa di due anni, ieri è stata rilasciata la prima fotografia di un orizzonte degli eventi di un buco nero, che dopo più di un secolo trasforma un concetto puramente teorico in un oggetto concreto, osservabile e potenzialmente misurabile. La foto conferma la teoria che ha guidato l’esplorazione astronomica degli ultimi 100 anni e corona il traguardo di una poderosa ricerca pluriennale.

Dopo aver assistito alla conferenza della Commissione Europea alle 15.00 di ieri, ora italiana (una delle sei principali e simultanee organizzate in diversi paesi) ho capito quanto poche fossero le persone comuni ad aver compreso sino in fondo le implicazioni della scoperta divulgata. Questo perché a più di cento anni dalla pubblicazione della teoria della relatività generale, il pubblico che ne ha una conoscenza anche di alto livello ma chiara è forse ancora estremamente esiguo. Il punto chiave della foto è che sino a ieri, il mondo scientifico non aveva mai avuto una prova concreta e definitiva dell’esistenza di un buco nero. Seppure in oltre un secolo di esistenza, la singolarità gravitazionale sia diventata quasi un oggetto di consumo, un luogo comune che ha attraversato senza difficoltà gli ambiti più distanti del sapere e dell’arte, dalla letteratura fantascientifica alla filosofia, dall’antropologia al cinema, alle discussioni da bar, sino a ieri non era nulla più di una teorizzazione, una mera soluzione delle equazioni di campo della teoria della relatività generale. Soluzione alla quale nemmeno Einstein aveva guardato con molto interesse, al punto da essere esplicitata da un matematico quasi dimenticato, morto qualche mese più tardi a Potsdam sul fronte russo, durante la prima guerra mondiale. Da lì la storia dei buchi neri sarà un’ascesa nell’immaginario collettivo, un’idea così diffusa e dibattuta da essere usata da tutti e al contempo essere ancora contestata da svariati scienziati, che proponevano soluzioni diverse a quella dell’orizzonte oltre il quale nemmeno la luce può emergere.

La notizia e la foto di ieri cambiano radicalmente l’epistemologia dei buchi neri, perché ora sappiamo che quanto teorizzato da Albert Einstein e da Karl Schwarzschild esiste veramente. La prima prova visiva diretta di questo è l’ombra del buco nero, rivelata ieri dagli astronomi che hanno lavorato al progetto dell’Event Horizon Telescope (EHT). L’immagine è quella del buco nero supermassiccio che si trova al centro dell’enorme galassia ellittica Messier 87, o Virgo A, perché appartenente (e dominante) l’ammasso di galassie della Vergine. Situato a 55 milioni di anni luce dalla Terra, si stima abbia una massa di 6,5 miliardi di volte quella del Sole. Sebbene i buchi neri, per la stessa definizione della teoria della relatività, siano intrinsecamente invisibili a causa della loro estrema densità e del campo gravitazionale che li genera, i ricercatori sono riusciti a ottenere immagini della zona in cui la materia e l’energia non possono più sfuggire alla loro attrazione, il cosiddetto orizzonte degli eventi.

Un telescopio grande come la Terra

Se ci pensiamo bene, anche ora che abbiamo la riprova diretta della loro esistenza, i buchi neri non sono oggetti astronomici intuitivi ed equiparabili a quelli che conosciamo per osservazione ottica diretta, come pianeti, asteroidi e stelle: sono oggetti fatti di gravità. Secondo la definizione più basilare e ricorrente, un buco nero è una regione dello spazio da cui nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Quindi è proprio il suo “confine”, ossia l’orizzonte degli eventi, la cosa che possiamo eventualmente cercare di scorgere. Quello che ha stimolato la ricerca dell’EHT è di fatto la domanda: “c’è modo di intravedere almeno l’ombra di un buco nero?”. Così su due piedi e per molto tempo, la risposta generale del mondo scientifico a questa domanda è stata: “forse, ma è un’impresa che richiederà molti decenni”. Tuttavia, verso la fine degli anni Novanta, tre astrofisici motivati dalle nuove tecnologie e da una nuova generazione di radiotelescopi, Heino Falcke, Fulvio Melia e Eric Agol, si posero il problema di comprendere se fosse possibile identificare e catturare la silhouette di Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio che risiede al centro della nostra galassia. Questo video dell’ESO è uno straordinario documentario che racconta l’impresa secondo una completa prospettiva storica.

Sulla base di modelli della propagazione della luce nello spaziotempo fortemente distorto attorno al buco nero, gli scienziati hanno concluso che con un insieme di radiotelescopi distribuiti sulla superficie della Terra e con osservazioni simultanee dei buchi neri scelti come target nella banda radio ad alta frequenza, avrebbero permesso di “vedere” un disco oscuro almeno dieci volte più grande rispetto alle dimensioni dell’orizzonte degli eventi. I raggi luminosi non avrebbero potuto evitare la gravità del buco nero, definendo una serie di cerchi luminosi e brillanti all’interno dei quali si sarebbe trovata l’oscurità più totale. In questo modo, il buco nero avrebbe proiettato la sua ombra o il suo orizzonte degli eventi in modo da essere visibile dalla Terra. In altre parole, quello che hanno fatto le decine di scienziati coinvolti nel progetto, è stato trasformare il pianeta in un gigantesco telescopio (almeno per la nostra scala umana) ed osservare un punto nel cielo estremamente piccolo, 250 milioni di volte più piccolo rispetto alla dimensione angolare della Luna piena. Il tweet di Alex Parker riportato di seguito, illustra in modo chiaro e visuale il raffronto tra la dimensione angolare di un pixel della fotocamera WFC3 del telescopio spaziale Hubble e la dimensione angolare dell’orizzonte degli eventi al centro di M87. Questo dà anche un’idea estremamente intuitiva di quanto sia infinitesima l’estensione del buco nero nel cielo e di quanto complesso possa essere stato il lavoro dei team dell’EHT.

Una quantità di dati inimmaginabile

Gli astronomi EHT hanno utilizzato la tecnica di radioastronomia interferometrica a base molto lunga (VLBI). Si tratta di raccogliere segnali radio da una fonte astronomica da una rete di singoli radiotelescopi e sistemi di telescopi (array) sparsi in tutto il mondo. L’EHT, che è stato attivato per la prima volta nel 2007, è composto da otto stazioni radio in sei diverse località in tutto il mondo, tutte funzionanti a una lunghezza d’onda di 1,3 mm. Questi telescopi comprendono l’Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) in Cile, il South Pole Telescope (SPT) in Antartide e il telescopio IRAM da 30 metri in Spagna. La distanza tra i singoli telescopi EHT, nota come “linea di base”, va da 160 a 10.700 km.

I dati sono stati raccolti due anni fa, dopo dieci anni di preparazione, mettendo assieme i segnali raccolti nella banda radio ad alta frequenza e ottenendo quindi una «lente di ingrandimento» che ha mostrato il disco dieci volte più grande rispetto alle normali dimensioni dell’orizzonte degli eventi. E’ stato in pratica esattamente come riuscire a fotografare «l’ombra» di un buco nero. L’11 aprile 2017 sono state così immagazzinate 65 ore di dati, inviati poi all’osservatorio Haystack del MIT e al Max Planck Institute per essere elaborati. Un’ operazione che è stata portata a compimento da quattro team di astronomi, il cui lavoro è stato tenuto sotto stretto riserbo, anche e sopratutto per evitare influenze reciproche. I segnali ricevuti in ogni singolo piatto dei telescopi nella rete erano marcati con precisione con un timbro orario molto accurato, utilizzando un orologio atomico in ogni posizione. Ogni telescopio ha prodotto circa 350 terabyte al giorno, immagazzinati su hard disk ad elio ad alte prestazioni e si stima che per tutte le giornate di osservazione il peso dei dati abbia raggiunto i 5 petabyte (ovvero 5 milioni di gigabyte). Dan Marrone, dell’università dell’Arizona ha paragonato la mole di dati a 5000 anni di riproduzione di file mp3 o all’intera collezione di selfie di una vita intera di 40.000 persone. I dati sono poi stati correlati e utilizzati per costruire un’immagine completa, quella che abbiamo visto per la prima volta ieri. Questo processo rende l’EHT lo strumento a più alta risoluzione sulla Terra, in grado di scattare immagini con una definizione fino a 2000 volte migliore rispetto a quella del telescopio spaziale Hubble e in grado di risolvere caratteristiche fino a 20 microsecondi d’arco.

Alla ricerca di una minuscola ma gigantesca ombra

Poiché la dimensione di un buco nero è proporzionale alla sua massa, la dimensione della sua ombra sarà maggiore tanto più grande sarà il buco nero. Data la sua enorme massa ma anche alla sua relativa vicinanza, M87 è sato da subito l’ideale candidato per il progetto. Gli astronomi hanno osservato M87 nel corso di quattro giorni: il 5, il 6, il 10 e l’11 aprile del 2017, effettuando una serie di scansioni da tre a sette minuti di durata ogni giorno. Queste osservazioni multiple e indipendenti hanno portato alla prima immagine dell’ombra di un buco nero, rivelando una struttura ad anello con una regione centrale oscura. Il diametro dell’anello è di 42 microsecondi d’arco con una larghezza inferiore a 20 microsecondi. Confrontando l’immagine con modelli teorici come le simulazioni magneto-idrodinamiche relativistiche generali (GRMHD), l’immagine osservata è coerente con le aspettative che si avevano in merito all’ombra di un buco nero di Kerr, ovvero un buco nero privo di carica elettrica e rotante attorno ad un asse centrale, come previsto dalla relatività generale.

I ricercatori sono stati in grado di calcolare la massa di M87, pari a 6,5 miliardi di volte quella del Sole. Stime precedenti, basate su modelli e osservazioni spettroscopiche della galassia da parte del telescopio spaziale Hubble, variano tra 3,5 e 7,7 miliardi di masse solari. Gli scienziati dell’EHT hanno anche calcolato il raggio dell’orizzonte degli eventi, pari a 3,8 microsecondi d’arco. Hanno anche scoperto che la rotazione del buco nero avviene in senso orario lungo un asse orientato in direzione opposta alla nostra. La luminosità nella parte inferiore dell’immagine è dovuta al movimento relativistico della materia in senso orario rispetto al nostro punto di vista, ed è maggiore rispetto al resto dell’anello perché è fatta di materia che si muove verso di noi.

Oltre a svelare le proprietà di M87, l’EHT ha ora mostrato l’orizzonte degli eventi, dimostrando che ora è possibile studiare sperimentalmente la regione tramite onde elettromagnetiche. E questo è quanto ha trasformato l’orizzonte degli eventi da un concetto puramente matematico a un’entità fisica osservabile e misurabile.

Tuttavia, questo non è il primo risultato dell’EHT. Nel 2012, gli scienziati che lavoravano sulla rete di telescopi sono riusciti ad osservare per la prima volta la base del getto emanato dalla galassia M87. Lo studio aveva stabilito che il buco nero nel cuore di M87 è rotante e che il disco di accrescimento segue la direzione di rotazione. Tre anni dopo, nel 2015, i ricercatori dell’EHT hanno rilevato la prima evidenza diretta dell’esistenza di campi magnetici vicino all’orizzonte degli eventi di Sagittarius A*, il buco nero al centro della nostra galassia, ovvero l’altro grande obiettivo del progetto, per il quale tuttavia non ci sono ancora dati definitivi e per la cui immagine dovremo ancora attendere. Distante 26.000 anni luce dalla Terra, ha una massa intorno ai tre ordini di grandezza inferiore rispetto a quella del buco nero al centro di M87. Studiando la polarizzazione circolare delle onde radio in arrivo, gli scienziati sono stati in grado di dedurre la direzione della polarizzazione del campo magnetico e hanno capito che cambiava su base giornaliera, rivelando le dinamiche estreme che sono in gioco nel cuore di un buco nero.

Si è trattato quindi di un progressivo avvicinamento, per piccoli passi, fino all’evidenza visiva dell’orizzonte degli eventi e alla prova definitiva che i buchi neri non solo esistono, ma sono esattamente come erano stati teorizzati. Ora gli astronomi sperano di eseguire ulteriori osservazioni di M87 per dedurre la forma e la profondità della regione d’ombra in modo più accurato. Fiduciosi di poter aggiungere altri telescopi alla matrice che consentirà immagini ad alta risoluzione, il team deve concludere il lavoro che permetterà di ottenere la prima immagine del buco nero nel cuore della nostra galassia, Sagittarius A*, ma si guarda ovviamente oltre. Dopo lo storico annuncio che ha facilmente fatto breccia nel panorama informativo di questi giorni ma non ha raggiunto tutto il pubblico con eguale intensità divulgativa, i prossimi passi saranno quelli di estendere le osservazioni, metterle insieme a quelle di moltissimi altri studi e ampliare l’orizzonte esplorativo in ambiti già di per sé estremamente pionieristici per spostare i confini della cosmologia sempre più avanti. Vengono alla mente le pubblicazioni che già si succedono a cascata in questi giorni e che combinano i risultati dell’EHT con quelle di altri telescopi, come Chandra e basta menzionare il fronte dell’astronomia delle onde gravitazionali per tracciare ambiziosi ma certi obiettivi futuri. Se i tempi di progettazione e di esecuzione dell’Event Horizon Telescope e l’attesa dei suoi risultati sono sembrati lunghissimi, sono passati in realtà poco più di 20 anni dallo sviluppo dell’idea: in fondo un tempo brevissimo, non solo su scala cosmologica, ma anche terrestre, che promette altre impressionanti scoperte scientifiche nel corso della nostra stessa generazione.

Ulteriori informazioni e link utili sulla pagina dello European Southern Observatory.