Nuova immagine del buco nero M87* conferma teorie sulla gravità e sulla natura dei buchi neri

Quasi cinque anni fa, un team di astronomi sparsi in tutto il mondo ha catturato l’immaginazione globale con la prima immagine di un buco nero, M87*. Oggi, questa stessa squadra ha rafforzato sia la loro scoperta iniziale sia la nostra comprensione dei buchi neri con un’immagine aggiornata di M87, il buco nero supermassiccio, 6,5 miliardi di volte la massa del nostro sole, situato al centro della galassia Messier 87 (M87) nel cluster della Vergine, a 55 milioni di anni luce dalla Terra.

La nuova immagine del buco nero M87*: un ritratto fedele nel tempo

La nuova immagine del buco nero M87*, come la precedente, è stata catturata dall’Event Horizon Telescope (EHT), una rete di telescopi radio distribuita in tutto il pianeta. I nuovi dati del 2018, ottenuti con l’aggiunta di un telescopio in Groenlandia, presentano un’affascinante costanza: un anello luminoso di emissione circonda una ombra centrale scura, con la parte più luminosa dell’anello che si è spostata di circa 30° rispetto al 2017, ora situata nella posizione delle 5 in punto.

Perché è rivoluzionario?

L’immagine originale di M87* era importante non solo perché rappresentava la prima volta che gli umani avevano visualizzato un buco nero, ma anche perché l’oggetto appariva come previsto. In particolare, l’immagine mostrava ciò che è noto come un’ombra di buco nero: una regione scura al centro di un disco luminoso di materia calda che circonda il buco nero.

Quest’ombra è creata dal campo gravitazionale immenso del buco nero, così potente da impedire la fuga della luce. Inoltre, quella stessa gravità piega la luce che passa vicino al buco nero senza cadervi dentro, agendo effettivamente come una lente. Questo è noto come lente gravitazionale e crea un anello di luce visibile da qualsiasi angolazione. Questi effetti erano entrambi previsti dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein. Poiché l’immagine di M87* mostra questi effetti, è una forte evidenza che la relatività generale e la nostra comprensione della fisica dei buchi neri sia corretta.

Il contributo di Caltech: algoritmi e visione futura

Questa nuova immagine di M87* è stata prodotta con contributi chiave del team di imaging del Caltech, che include la Professoressa Katherine (Katie) L. Bouman, assistente professore di scienze dell’informazione e matematica, ingegneria elettrica e astronomia; l’ex studentessa di dottorato del Caltech Nitika Yadlapalli Yurk, Dott.ssa; e Aviad Levis, attuale post-dottorato di ricerca associato in scienze dell’informazione e matematica al Caltech.

La sfida dell’imaging del buco nero M87* con l’EHT

Immaginare un oggetto come M87* con l’EHT è molto diverso dall’immaginare un pianeta come Saturno con un telescopio convenzionale. Invece di vedere la luce, l’EHT osserva le onde radio emesse dagli oggetti e deve combinare computazionalmente le informazioni per formare un’immagine. “I dati grezzi che escono da questi telescopi sono fondamentalmente solo valori di tensione”, dice Yurk. “Mi piace descrivere i radiotelescopi come i voltmetri più sensibili del mondo, e raccolgono tensioni molto accuratamente da diverse parti del cielo.”

La magia di dietro le quinte: da dati a immagini del buco nero M87*

Trasformare quei valori di tensione in un’immagine è complicato, dice Bouman, perché le informazioni con cui lavorano i ricercatori sono incomplete e non c’è nulla con cui confrontare l’immagine, poiché nessuno ha visto M87* con i propri occhi. “Non vogliamo inserire le nostre aspettative su come dovrebbe apparire il buco nero quando formiamo computazionalmente l’immagine”, dice Bouman. “Altrimenti, potrebbe portarci a un’immagine che ci aspettiamo piuttosto che a una che cattura la realtà.”

Convalida e riproducibilità: i pilastri della scienza moderna

Per evitare questo problema, i ricercatori testano i loro algoritmi di elaborazione delle immagini con ciò che è noto come dati sintetici, una serie di immagini simulate con forme geometriche semplici. Questi dati vengono eseguiti attraverso gli algoritmi per produrre un’immagine. Se l’immagine in uscita è fedele all’immagine in ingresso, sanno che l’algoritmo sta funzionando correttamente e sarà in grado di vedere strutture sorprendenti intorno al buco nero.

Il futuro della ricerca sui buchi neri: oltre l’orizzonte

L’immagine prodotta di M87* è solo leggermente diversa dalla prima. La differenza più evidente è che la parte più luminosa dell’anello luminoso che circonda M87* si è spostata di circa 30 gradi in senso antiorario. Secondo l’EHT, quel movimento è probabilmente il risultato del flusso turbolento di materia intorno a un buco nero. Importante, l’anello è rimasto delle stesse dimensioni, che era anch’esso previsto dalla relatività generale.

Bouman aggiunge che la capacità del team di produrre un’altra immagine di M87* con nuovi dati che concordano così strettamente con l’immagine precedente è entusiasmante. “Penso che la gente si chiederà: ‘Perché è importante? Avete già mostrato un’immagine di M87.’ Altri gruppi hanno riprodotto l’immagine di M87 con dati che sono stati presi nel 2017. Ma è una cosa del tutto diversa avere un nuovo set di dati presi in un anno diverso e arrivare alle stesse conclusioni. La riproducibilità con dati indipendenti è un grande affare anche questo.”

Quindi, mentre il nuovo set di immagini di M87* potrebbe sembrare simile al primo, rappresenta un passo significativo nella conferma della nostra comprensione dei buchi neri. Ci ricorda che a volte, guardare nel buio ci aiuta a vedere più chiaramente la luce della conoscenza.