Il mondo distorto di un buco nero

Una simulazione della NASA permette di comprendere meglio alcuni elementi della fisica estrema dei buchi neri, e di interpretare meglio la famosa prima foto di un buco nero.

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Un buco nero attivo con disco di accrescimento: la nuova simulazione della NASA. | NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

La prima fotografia dell'orizzonte degli eventi di un buco nero ha segnato per davvero un punto di non ritorno nell'astrofisica moderna. Ma che cosa ci mostreranno, le prossime immagini di questo tipo, prodotte da reti di radiotelescopi sempre più estese e precise? Una nuova visualizzazione della NASA generata da un software del Goddard Space Flight Center di Greenbelt, nel Maryland, rivela come apparirebbe un'immagine ad alta risoluzione di un buco nero supermassiccio attivo, dotato di disco di accrescimento.

 

La simulazione mostra come la gravità di questi mostri cosmici riesca a deformare le vicine porzioni di spaziotempo e distorcere l'immagine che riceviamo, come in una casa degli specchi.

 

NASA: il buco nero simulato, animazione
Clicca sull'immagine per attivare l'animazione. | NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

Poche certezze. Dei buchi neri supermassicci sappiamo che siedono al centro della maggior parte delle galassie, che controllano la formazione stellare e che, quando si "risvegliano" e iniziano a nutrirsi del materiale circostante, possono diventare gli oggetti più luminosi dell'Universo.

 

Il sito di Science Alert ha messo a confronto la nuova visualizzazione della NASA con l'immagine dell'ombra di M87 e con la primissima simulazione di un buco nero, realizzata negli anni '60 con un computer IBM 7040 e disegnata a mano dall'astrofisico francese Jean-Pierre Luminet nel 1978. Tanto tempo è passato, e i nostri mezzi si sono fatti più raffinati: tuttavia, forti delle stesse basi teoriche, le tre immagini hanno diversi punti di contatto.

 

NASA: il buco nero simulato
La prima simulazione computerizzata di un buco nero con disco di accrescimento: il lavoro di Jean-Pierre Luminet. |

La spiegazione delle immagini. In entrambe le simulazioni, e nell'immagine dell'EHT, si vede un cerchio nero al centro: è l'orizzonte degli eventi, il punto nel quale la radiazione elettromagnetica (luce, onde radio, raggi X...) non raggiunge una velocità di fuga sufficiente a contrastare l'attrazione gravitazionale del buco nero.

 

A tagliare l'immagine c'è poi un anello di materiale caldo e in rapida rotazione che turbina attorno al buco nero, come fa l'acqua in un lavandino prima di finire nello scarico: è il disco di accrescimento. L'attrito tra le particelle del materiale risucchiato genera una radiazione talmente intensa che riusciamo a coglierla con i radiotelescopi: la si vede nell'immagine di M87.

 

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L'anello che avvolge il punto di non ritorno del buco nero M87. | EHT

Vicino/lontano. Una parte del disco di accrescimento risulta più luminosa dell'altra, per un effetto noto come Doppler boosting o relativistic beaming, legato alla rotazione del disco. Da questa angolazione, il materiale nel disco di accrescimento appare più brillante mentre si sposta verso la Terra e al contrario perde luminosità mentre si allontana da noi. Come spiega la NASA, questa asimmetria scomparirebbe, se vedessimo il buco nero esattamente di fronte, perché, da quella prospettiva, nessuna porzione del gas in rotazione si muoverebbe verso la nostra linea di osservazione.

 

Inoltre, nello spazio più vicino al buco nero il gas orbita a velocità prossime a quelle della luce, mentre nelle zone più esterne si muove un po' più lentamente. Questo si traduce (nella visualizzazione della NASA) in un continuo cambiamento di luminosità nelle linee di materiale nel disco di accrescimento. «È precisamente questa asimmetria nella luminosità apparente, la principale firma di un buco nero» ha scritto lo scorso anno Luminet in un articolo scientifico. Questo infatti è «l'unico oggetto celeste capace di dare alle regioni interne di un disco di accrescimento una velocità di rotazione prossima a quella della luce e di indurre un effetto Doppler molto intenso».

 

NASA: il buco nero simulato
La spiegazione delle varie caratteristiche del buco nero simulato. Clicca sull'immagine per ingrandire. | NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

Anelli e distorsioni. Quell'anello di luce al centro della zona più scura è un anello di fotoni, composto, spiega il sito della NASA, "da più anelli, progressivamente meno luminosi e più sottili, della luce che ha ruotato attorno al buco nero due, tre o più volte, prima di sfuggire per raggiungere i nostri occhi". Poiché il buco nero in questa visualizzazione è sferico, l'anello di fotoni appare quasi perfettamente circolare. Al suo interno si nota l'ombra del buco nero, un'area grande due volte l'orizzonte degli eventi.

 

Quegli strascichi di luce visibili attorno e "sotto" al buco nero provengono in realtà dalla parte del disco di accrescimento che si trova dietro al buco nero stesso. La gravità di questo oggetto celeste è talmente intensa da deformare lo spaziotempo e piegare il percorso della luce.

 

«Simulazioni come questa aiutano a capire cosa intendeva Einstein quando diceva che la gravità distorce il tessuto dello spazio e del tempo», conclude Jeremy Schnittman, tra gli autori della visualizzazione. «Fino a poco tempo fa queste immagini erano confinate alla nostra immaginazione o ai programmi sui computer. Mai avrei immaginato che fosse possibile vedere un vero buco nero».

 

3 ottobre 2019 | Elisabetta Intini