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La maggior parte delle immagini dei buchi neri sono illustrazioni. Ecco cosa catturano effettivamente i nostri telescopi.

Aggiornamento: nell’aprile 2019, gli scienziati hanno pubblicato la prima immagine in assoluto di un buco nero. Puoi vederla qui, e saperne di più su come è stata fatta questa storica immagine.

Impossibilmente densi, profondi e potenti, i buchi neri rivelano i limiti della fisica. Niente può sfuggirvi, nemmeno la luce.

Anche se i buchi neri eccitano l’immaginazione come pochi altri concetti nella scienza, la verità è che nessun astronomo ne ha mai visto uno. Li abbiamo “sentiti”, per così dire, poiché gli scienziati hanno registrato le onde gravitazionali (increspature letterali nello spaziotempo) emanate dai buchi neri che si sono scontrati tra loro miliardi di anni fa.

Ma qualsiasi foto che avete visto di una massa oscura che deforma lo spaziotempo… beh, è solo un’illustrazione. Come questa:

NASA/Goddard

Questo presto potrebbe cambiare. Il 10 aprile, una collaborazione chiamata Event Horizon Telescope è pronta ad annunciare i risultati di uno sforzo per catturare un’immagine del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. La National Science Foundation descrive i risultati come “innovativi”. E se un’immagine viene prodotta, sarà un risultato notevole. Perché per quanto massicci siano i buchi neri, in realtà sono incredibilmente difficili da vedere da vicino.

Perché nessun astronomo ha mai visto un buco nero con un telescopio

I buchi neri nascono quando stelle massicce collassano su se stesse e creano una regione di gravità così intensa che nemmeno la luce può sfuggire alla sua presa. Gli astronomi ipotizzano anche che alcuni buchi neri possano essersi formati all’inizio dell’universo caotico dopo il Big Bang.

Il problema maggiore nel cercare di vedere un buco nero è che anche quelli supermassicci (con masse milioni di volte più pesanti del nostro sole) sono relativamente piccoli.

“Il più grande nel cielo è il buco nero al centro della Via Lattea”, ha spiegato in una e-mail Dimitrios Psaltis, un astrofisico dell’Università dell’Arizona. “E fotografarlo sarebbe equivalente a fotografare un DVD sulla superficie della luna”.

Inoltre, a causa della loro forte gravità, i buchi neri tendono ad essere circondati da altra materia luminosa che rende difficile vedere l’oggetto stesso. Invece, cercano prove degli effetti della gravità e della radiazione di un buco nero.

“Di solito misuriamo le orbite di stelle e gas che sembrano girare intorno a ‘punti’ molto scuri nel cielo e misuriamo quanta massa c’è in quel punto scuro”, dice Psaltis. “Se non conosciamo nessun altro oggetto astrofisico che può essere così massiccio e così scuro come quello che abbiamo appena misurato, lo consideriamo come una prova molto forte che un buco nero si trova lì.”

Abbiamo però immagini indirette dei buchi neri

Alcune delle migliori immagini indirette dei buchi neri provengono dal Chandra X-ray Observatory. “L’attrito e le alte velocità del materiale che si forma da un buco nero producono naturalmente raggi X”, ha detto Peter Edmonds, un astrofisico della NASA e specialista delle comunicazioni che lavora con Chandra. E Chandra è un telescopio spaziale appositamente progettato per vedere quei raggi X.

Per esempio, l’osservatorio Chandra ha documentato questi “rutti” a raggi X provenienti dalla fusione di due galassie a circa 26 milioni di anni luce. Gli astrofisici sospettano che questi rutti provengano da un enorme buco nero:

Similmente, le macchie fucsia su questa immagine sono regioni di intensa radiazione X, pensate per essere buchi neri che si sono formati quando due galassie (gli anelli blu e rosa) si sono scontrate:

X-ray: NASA/CXC/MIT/S.Rappaport et al, Optical: NASA/STScI

Qui ci sono raggi X e onde sonore che emanano dalla regione centrale dell’ammasso di galassie Perseus – altre prove indirette di un buco nero:

E in questa GIF, il telescopio Chandra ha visto un grande bagliore di raggi X proveniente dal buco nero sospettato di trovarsi al centro della galassia Via Lattea.

NASA/CXC/Amherst College/D.Haggard et al

Ed ecco un’immagine ingrandita di quel flare di raggi X.

Una vista ingrandita del flare di raggi X dal centro della Via Lattea.

Ci potrebbero essere anche 20.000 buchi neri più piccoli che circondano il buco nero massiccio al centro della nostra galassia.

Recentemente, un team di ricercatori ha trovato prove di una dozzina di buchi neri entro tre anni luce dal centro galattico. Nella seguente immagine a raggi X, sono segnati in blu.

Nature

I buchi neri rilasciano raggi X solo quando consumano materia (come da una stella vicina). Ma questi buchi neri divoratori sono in realtà piuttosto rari. Più spesso, i buchi neri non sono rilevabili. Ma il fatto che gli scienziati siano stati in grado di trovare questa dozzina di buchi neri “luminosi” suggerisce che ce ne sono altre decine di migliaia in questa regione.

Possiamo vedere i buchi neri sputare massicci getti di materia nell’universo

Questa immagine composita (che combina i dati di Hubble e di un radiotelescopio) mostra getti di energia e materia lanciati fuori dal centro della galassia Hercules A. Questi getti vengono sparati fuori quasi alla velocità della luce, dimostrando l’impressionante potere distruttivo dei buchi neri.

NASA/Hubble

Questa prossima immagine mostra enormi getti che si pensa si stiano allontanando dal buco nero al centro di Centaurus A, una galassia distante 13 milioni di anni luce. I getti sono più lunghi della galassia stessa.

ESO/WFI (visibile); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (microonde); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (raggi X)

Gli astronomi hanno osservato stelle che orbitano intorno a buchi neri apparenti

Non possiamo vedere un buco nero. Ma possiamo osservare gli effetti dell’estrema gravità di un buco nero sugli oggetti che lo circondano. Ecco un’illustrazione molto bella di questo.

Stai guardando 20 anni di dati sulle stelle che vivono vicino al buco nero supermassiccio al centro della galassia della Via Lattea, chiamato Sagittarius A* (detto ad alta voce è “Sagittarius A-star”). E sì, le stelle – alcune molte volte più massicce del nostro sole – gli orbitano intorno.

Ecco un altro sguardo allo stesso fenomeno. Questo video include 16 anni di osservazioni dell’European Southern Observatory, o ESO. Questa non è un’animazione – sono immagini reali di stelle accelerate da un fattore di 32 milioni. Guardale danzare intorno a un misterioso centro vuoto.

ESO/MPE

La stella S2, che è segnata nel primo video con una linea gialla, è circa 15 volte più grande del nostro sole. È grande. Ma non è niente in confronto al buco nero, che è stimato essere circa 4 milioni di volte più massiccio del nostro sole. La gravità che produce sferza l’orbita di S2 a circa 11 milioni di miglia all’ora, che è circa 200 volte la velocità con cui la Terra orbita intorno al sole. S2 completa un’orbita in circa 16 anni terrestri. Recentemente, gli astronomi hanno visto S2 passare vicino a Sagittarius A* ad una velocità superiore a 15,5 milioni di miglia all’ora. Questo significa più di 4.300 miglia ogni secondo, o quasi il 3% della velocità della luce. (L’osservazione, ancora una volta, ha dimostrato che la teoria della gravità di Einstein è corretta.)

Non abbiamo osservato direttamente questo buco nero, ma gli scienziati sospettano che sia lì. “Queste orbite, e una semplice applicazione delle leggi di Keplero, forniscono le migliori prove per un buco nero supermassiccio, che ha una massa di 4 milioni di volte quella del Sole”, spiega il Galactic Center Group dell’UCLA, che ha prodotto l’animazione.

Di recente, gli scienziati hanno ottenuto la loro migliore prova che Sagittarius A* è davvero un buco nero supermassiccio. Intorno al momento in cui la stella S2 stava facendo il suo passaggio vicino al buco nero, gli astronomi dell’ESO hanno assistito a brevi e potenti fiammate di gas che uscivano da qualcosa chiamato disco di accrescimento. Questa è la regione che circonda il buco nero dove la materia viene fatta a pezzi dall’intensa gravità, ma non è caduta all’interno del buco nero.

Altri calcoli hanno rivelato che questi bagliori si muovevano a circa il 30% della velocità della luce, orbitando intorno al buco nero una volta ogni 45 minuti (con una singola orbita che copre circa 150 milioni di miglia). Nient’altro che un buco nero supermassiccio potrebbe spiegare un movimento così violento e potente. Le osservazioni, riferisce l’ESO, “corrispondono esattamente alle previsioni teoriche per i punti caldi che orbitano vicino a un buco nero di quattro milioni di masse solari.”

Inoltre, gli astronomi sospettano che il flare fosse situato molto vicino al bordo del buco nero – l’orizzonte degli eventi – oltre il quale nessuna luce può sfuggire.

Qui, vedi una simulazione al computer di come i gas orbitano attorno al buco nero.

ESO/Gravity Consortium/L. Calçada

Non possiamo ancora vedere un buco nero. Ma possiamo “sentirli” collidere.

Quando due buchi neri si scontrano, scatenano una massiccia onda di gravitazione.

Proprio come le onde sonore disturbano l’aria per fare rumore, le onde gravitazionali disturbano il tessuto dello spazio-tempo per spingere e tirare la materia come se esistesse in uno specchio. Se una grande onda gravitazionale passasse attraverso di voi, vedreste una delle vostre braccia diventare più lunga dell’altra. Se portaste un orologio su ogni polso, li vedreste ticchettare fuori sincrono.

Quando due buchi neri si scontrano, scatenano un’enorme onda di gravitazione. Ma quando raggiungono la Terra 1,4 miliardi di anni dopo, quelle onde sono diventate molto deboli (come le increspature di un sasso caduto in uno stagno si attenuano più ci si allontana dal sasso).

Ma negli ultimi anni, gli scienziati sono stati in grado di ascoltare queste increspature con LIGO e VIRGO, enormi esperimenti globali che possono rilevare queste piccole increspature nello spazio.

Perché le onde che LIGO rileva hanno una frequenza che è paragonabile alla gamma di frequenze che possiamo sentire, gli scienziati possono alzare il volume e tradurle in suono. (Sì, questo non è esattamente ciò che suona, ma piuttosto una rappresentazione audio dei dati. E, sì, l’evento non avrebbe fatto alcun rumore nel vuoto dello spazio.)

Ascoltali qui.

Presto potremmo vedere un vero buco nero

Perché il buco nero al centro della nostra galassia, Sagittarius A*, è così relativamente piccolo, e circondato da così tanto materiale occludente, ci vorrà un enorme telescopio per vederlo. Secondo Nature, ci vorrebbe un telescopio 1.000 volte più potente di Hubble per ottenere una risoluzione sufficiente a vederlo.

Uno sforzo internazionale chiamato Event Horizon Telescope è un tentativo di risolvere questo problema. I telescopi ottici convenzionali usano specchi sempre più grandi per vedere oggetti sempre più piccoli e lontani nell’universo. L’Event Horizon Telescope sta facendo qualcosa di simile: sta creando un telescopio virtuale delle dimensioni dell’intera Terra.

Nell’aprile 2017, il team di Event Horizon ha collegato i radiotelescopi in più luoghi del mondo – lontani come le Hawaii e il Polo Sud – e li ha istruiti tutti a guardare verso Sagittarius A* per alcuni giorni. La rete è il risultato di una collaborazione internazionale di 14 istituti di ricerca in tutto il mondo.

Insieme, questi otto telescopi hanno il potere di “contare i punti su una palla da baseball da 8.000 miglia di distanza”, come spiega il MIT. L’array ha generato una tale quantità di dati che è stato più efficiente far volare i dati da ciascuno dei telescopi a una posizione centralizzata piuttosto che trasferirli via internet.

Per anni, gli scienziati hanno cucito insieme tutti quei dati. La speranza è che l’immagine finale mostri l’orizzonte degli eventi, il confine oltre il quale la luce non può sfuggire. Quell’orizzonte degli eventi sarà probabilmente circondato da un disco di accrescimento, un anello luminoso e incredibilmente energetico di materia che vortica intorno al buco nero. Potrebbe avere un aspetto simile a questo.

Hotaka Shiokawa / Event Horizon Telescope

Guarda: Perché ogni immagine di un buco nero è un’illustrazione

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