L'ombra del buco nero spiegata in due infografiche e 17 curiosità

Il buco nero M87: i segreti della foto del secolo in due infografiche e 17 curiosità. E un grazie a Katie Bouman, protagonista non più invisibile di questa impresa.

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I buchi neri sono il cuore di quasi tutte le galassie dell'Universo, e potrebbero anche essere la porta verso altri universi - sosteneva Stephen Hawking. |

L'immagine dei confini del "mostro" invisibile nella galassia M87 non sarebbe stata possibile senza la protagonista di un'altra foto che ieri ha fatto il giro del mondo: quella di Katie Bouman, ricercatrice 29enne dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, che ha lavorato sei anni agli algoritmi che hanno permesso di mostrare al mondo l'orizzonte dei buchi neri, da quando era dottoranda in ingegneria elettronica e scienze informatiche al MIT.

 

buchi neri, Katie Bouman
Katie Bouman, protagonista non più invisibile di questa impresa. |

All'inizio, confessa, non sapeva quasi nulla di astrofisica, ma le sue competenze nel trovare metodi per misurare entità invisibili l'hanno resa una candidata perfetta per il team multidisciplinare dell'EHT. «Di solito nella radioastronomia, per ottenere immagini si conta su una persona che sappia guidare le tecniche di imaging nella direzione in cui si pensa debbano andare», spiega Bouman, «tuttavia per dati come questi, così irregolari e pieni di "rumore", questa era una strada rischiosa da percorrere».

 

Le radioantenne del network di EHT misurano a due a due una singola frequenza spaziale: è come se ogni coppia ricavasse un singolo pixel di un'immagine. Bouman e colleghi hanno sviluppato gli algoritmi per trovare l'immagine che meglio di ogni altra rappresentasse i dati registrati. «Quello che facciamo è assumere dei "prior", ossia riferimenti che ci permettano di dire "Ok, di tutte le immagini che potrebbero essere compatibili con questi dati, questo set di immagini è il più probabile"».

 

Gran parte del lavoro, in effetti, è stato assicurarsi che l'immagine ottenuta fosse "reale" e rappresentasse ciò che c'è al centro di M87: che non fosse, cioè, "guidata dalle aspettative" degli scienziati. Per evitare di cadere in questo errore gli esperti di immagini digitali si sono divisi in quattro squadre, ciascuna delle quali ha lavorato a diversi algoritmi senza comunicare con i colleghi, per evitare interferenze. Quando infine si sono confrontati sui risultati, è stato evidente che avevano colto nel segno: l'immagine era quella dell'anello di luce in M87. Per Bouman, che ora è per molti un simbolo del ruolo delle donne nella scienza, «è stato uno dei momenti più esaltanti dell'intero progetto».

 

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Infografica: lo schema della raccolta e dell'elaborazione dei dati rilevati dagli otto telescopi del network dell'Event Horizon Telescope (EHT). In totale, i dati raccolti (in alcuni giorni di osservazione nel 2017) ammontano a 4 petabyte, cioè 4 milioni di gigabyte: ci sono voluti 2 anni per combinarli dati in modo da formare l'immagine. |

Tra scienza e curiosità:
tutto quello che vorreste sapere sui buchi neri, è qui.

 

E se i buchi neri non esistessero?
In realtà eravamo piuttosto sicuri dell'esistenza dei buchi neri anche prima dell'immagine di M87: prima d'ora non li avevamo mai osservati direttamente, ma a rivelare la loro esistenza è il modo in cui la materia si sposta attorno ad essi. Nel 2015 i LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hanno rilevato due "treni di onde gravitazionali" prodotti dalla collisione e fusione di due buchi neri, di 36 e 29 masse solari nel primo evento, e di 14 e 8 masse solari nel secondo: già queste erano prove molto consistenti.

 

Qual è la probabilità che la Terra e l'intero Sistema Solare vengano risucchiati da un buco nero?
Si stima che nella Via Lattea ci siano circa 100 milioni di buchi neri di massa relativamente contenuta (buchi neri stellari, come Cygnus X-1), e un buco nero supermassiccio al suo centro: Sagittarius A*. Fortunatamente, nessuno di questi è abbastanza vicino da rappresentare un pericolo per il Sistema Solare.

 

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Il Sole, l'orbita di Plutone, la posizione della Voyager 1... in relazione alla dimensione dell'oggetto-mostro che adesso conosciamo "in foto". |

Ma... facciamo finta: verremmo lacerati all'orizzonte degli eventi o ci passeremmo attraverso più o meno incolumi?
Moriremmo, punto e basta, ma non necessariamente sul colpo: forse con un buco nero più piccolo finiremmo distrutti prima, perché arriveremmo più vicini alla singolarità (cioè a una regione in cui la curvatura dello spazio-tempo tende a un valore infinito) prima di raggiungere l'orizzonte degli eventi.

 

Ma se i buchi neri risucchiano tutto, inclusa la luce, come hanno fotografato M87?
Va detto che non è una fotografia nel senso classico del termine: per la precisione, è la trasposizione nel visibile di emissioni elettromagnetiche che l'occhio umano non è in grado di vedere, raccolte invece dai radiotelescopi. Ci sono voluti due anni di lavoro per combinare i dati in modo da formare l'immagine, che mostra la silhouette di un buco nero sulla materia luminosa che lo circonda e che da esso viene risucchiata. Detto ciò, in effetti nulla può uscire dall'interno di un buco nero.

 

Perché nell'immagine M87 appare più luminoso da un lato? Siamo più vicini alla regione più luminosa? No: è perché sta ruotando. La rotazione della materia attirata nel disco di accrescimento ruota vorticosamente ed emette energia: nella rotazione, la parte più luminosa è quella che si muove verso di noi, mentre la parte della ciambella che ha compiuto quella parte di giro e si allontana da noi appare più scura.

 

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Infografica: come leggere la foto del secolo. |

Che cosa esattamente sta ruotando? Il disco di accrescimento o il buco nero?
Dall'immagine che abbiamo non possiamo esserne certi: non abbiamo dati per dire se sia soltanto il disco di accrescimento a ruotare, o soltanto il buco nero, o entrambi.

 

Dove si trova l'orizzonte degli eventi? Dentro l'anello arancione, al confine con l'area nera?
È all'interno dell'area nera: la parte scura è l'ombra del buco nero contro la materia che lo circonda.

 

In che modo la nuova scoperta influenzerà la meccanica quantistica e la relatività generale? Avrà conseguenze su ciò che sappiamo della fisica?
Per quel che possiamo dire, l'immagine è coerente con la teoria della Relatività generale. Quando e se riusciremo a osservare un orizzonte degli eventi a una più alta risoluzione, forse potremo capire come la meccanica quantistica e la relatività si intreccino in un'area così estrema.

 


La Relatività generale ipotizza anche che un oggetto sufficientemente grande, come può essere una stella massiccia, può collassare su se stesso fino a concentrarsi in un punto a densità infinita. Quel punto è chiamato singolarità (vedi).

La singolarità ha una misura?
I buchi neri hanno masse diverse, alcuni sono milioni di volte più massicci di altri: di per sé la singolarità è infinitamente piccola, ma le dimensioni di un intero buco nero (l'area all'interno dell'orizzonte degli eventi) dipendono dalla sua massa.

 

L'energia "bloccata" in un buco nero è inclusa nella stima dell'energia totale dell'Universo, o è considerata persa?
È inclusa: in fin dei conti un buco nero è parte dell'Universo - e quando evapora (un fatto che si ritiene teoricamente possibile), l'energia che catturava ritorna all'Universo.

 

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Ecco ciò che sappiamo o crediamo di sapere del nostro Universo: poco meno del 5% di ciò che esiste è materia ordinaria (nebulose, galassie, stelle, pianeti, noi stessi...). Di tutto il resto sappiamo dire solo che dovrebbe esserci un 27% circa (in energia) di materia oscura (che corrisponde all'85% di tutta la materia che supponiamo esistere) e di un 68% circa di una ancora più misteriosa energia oscura, di cui non sappiamo dire altro che il nome. Per approfondire: ancora nebbia sulla materia oscura. |

La radiazione di Hawking è mai stata rilevata?
No, non è mai stata rilevata: la teoria vuole che sia una radiazione termica emessa dai buchi neri, ma per adesso si tratta di un effetto quantistico puramente teorico.

 

Ogni galassia a spirale ha un suo buco nero al centro?
Si pensa che tutte le galassie abbiano, al centro, un buco nero supermassiccio che faccia da nucleo della galassia stessa: quello al centro della Via Lattea è Sagittarius A*. In effetti, questi oggetti potrebbero avere un ruolo importante nella formazione delle galassie.

 

Che cosa viene prima, il buco nero o la galassia?
Non lo sappiamo. Grandi nubi di gas possono collassare e formare galassie in un colpo solo, con i buchi neri che si formano più tardi; oppure, buchi neri preesistenti e stelle possono andare insieme alla deriva e formare galassie. Le osservazioni che abbiamo depongono un po' più a favore di quest'ultima ipotesi, ma probabilmente sono entrambe valide.

 

Dove va a finire quello che è risucchiato da un buco nero?
Per quel che sappiamo, da nessuna parte... Le particelle della materia che ci cade dentro diventano parte del buco nero, proprio come un oggetto che dovesse cadere nel Sole diviene parte del Sole. A un certo punto Stephen Hawking ha immaginato che possano essere "porte" verso altri Universi, ma è un'ipotesi impossibile da verificare.

 

Le dimensioni e la massa del buco nero aumentano in proporzione a quanto... mangia?
Sì, un buco nero cresce a mano a mano che la materia, catturata nel disco di accrescimento (che non a caso si chiama così), precipita al suo interno. Anche noi, dopo mangiato pesiamo di più...

 

Qual è la temperatura di un buco nero?
L'area che si trova appena all'esterno di un buco nero (prendete a esempio la parte luminosa dell'immagine di M87) è estremamente calda, ma la temperatura è la misura dell'energia emessa, e i buchi neri non emettono energia - salvo una piccola frazione di radiazione di Hawking, si pensa. Quindi, la loro temperatura è vicina allo zero assoluto.

 

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Il buco nero M87. | EHT

Perché non hanno fotografato il "nostro" buco nero, Sagittarius A*?
Il lavoro si è orientato maggiormente su M87 perché è più semplice da studiare: è vero che si trova circa duemila volte più lontano del buco nero della nostra galassia, ma è anche duemila volte più massivo, ossia ha una massa 2.000 volte superiore di quella di Sagittarius A* - e, perciò, ci appare più o meno della stessa grandezza. Ma con M87 abbiamo un vantaggio importante: si evitano i disturbi che si avrebbero invece dal materiale interstellare che si estende dalla Terra al buco nero della nostra galassia. Probabilmente avremo presto anche un'immagine di Sagittarius A*, ma è difficile che si possano assemblare i dati per arrivare a un risultato come quello che abbiamo visto.

 

A cura di Luigi Bignami, Elisabetta Intini, Andrea Parlangeli, Raymond Zreick

 

11 aprile 2019 | Focus.it