L’Universo è un luogosconfinato, contenenteun numero

inimmaginabile di corpi celesti: dapiccoli asteroidi a immensiammassi di galassie, da familiaripianeti rocciosi a stravaganti stelledi neutroni. In tale moltitudinecosmica non esistono corpi celestipiù misteriosi dei buchi neri.

Immaginati come una merasoluzione delle equazioni dellarelatività generale nel 1915, furononecessari decenni per convincersidella loro esistenza e 104 anni perfotografarli direttamente, graziealla storica impresa dell’Eventhorizon telescope (EHT).Per comprendere cos’è un buconero è necessario il concetto di

velocità di fuga: la velocità minimanecessaria affinché un oggetto (peresempio: un razzo) abbandoni ilcampo gravitazionale di un corpoceleste. La velocità di fuga dallaTerra è circa 11,2 km/s (40.000km/hr) e, in generale, aumentaall’aumentare della massa del corpoceleste e al diminuire delle suedimensioni (a parità di massa). Un

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Scienze naturali e matematiche

Trasposizione in falsicolori delle onderadio emesse dal gasattratto versol’orizzonte deglieventi del buco nero M87(per cortesia The EventHorizon Telescope)

Il 10 aprile 2019 il progetto internazionale Event horizontelescope (EHT) ha rilasciato la prima immaginedell’orizzonte degli eventi di un buco nero, quello al centrodella galassia M87. Si tratta di un risultato storico con crucialiconseguenze per la fisica e l’astronomia.

Fotografare l’invisibile: la primaimmagine di un buco nero

di Fabio Pacucci

LdA2019 Scienze naturali e matematiche - Pacucci secondo impaginato

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buco nero è talmente massiccio ecompatto da possedere una velocitàdi fuga maggiore della velocitàdella luce, indicata con c. Lasuperficie dove la velocità di fuga èuguale a c viene denominataorizzonte degli eventi: è impossibileottenere informazioni relative aeventi che avvengono oltre taleorizzonte. Nessun oggetto materialepuò viaggiare a c, quindi nientepuò sfuggire, nemmeno la luce.I buchi neri si formano quando, instelle molto massicce (almeno 20-25 volte la massa del Sole),l’esaurimento del combustibilenucleare innesca un processo dicollasso gravitazionale. Essi sicategorizzano in buchi neri dimassa stellare, fino a qualchedecina di volte quella del Sole, ebuchi neri supermassicci,caratterizzati da masse milioni omiliardi di volte superiori elocalizzati al centro delle galassie,inclusa la nostra.I buchi neri sono oggettiparadossali: pur non emettendoradiazione dall’orizzonte degli eventi(la celebre radiazione di Hawking ècompletamente trascurabile per ibuchi neri qui trattati), risultanovisibili da distanze cosmiche. Il lorocampo gravitazionale è infattitalmente intenso da influenzaresignificativamente l’ambientecircostante. Le orbite di corpi celestiche passano vicino a un buco nerosono fortemente modificate,rivelando la presenza di un oggettomassiccio e oscuro. Inoltre, il gaspresente nella regione di influenzadel buco nero è accelerato a velocitàenormi e inizia a spiraleggiareattorno all’orizzonte degli eventi,formando un disco diaccrescimento. La temperatura delgas può raggiungere milioni di gradied emettere enormi quantità diradiazioni. I buchi nerisupermassicci e in fase attiva, ossiacon un accrescimento di materia inatto, possono essere rilevati amiliardi di anni luce di distanza.Prima della storica immaginedell’EHT potevamo osservare ibuchi neri in modo indiretto, tramite

i loro effetti sull’ambientecircostante. Pur non osservandodirettamente il buco nero sapevamoche solo tale oggetto poteva crearedegli effetti così rilevanti.Osservare un buco nero in manieradiretta significa risolvere regionicontenute, dalle dimensioniparagonabili all’orizzonte deglieventi: un buco nero di massasolare ha un orizzonte dal raggio dicirca 3 km. Per osservare l’orizzontedi un buco nero supermassiccio ènecessario risolvere dimensioniangolari di circa 20 secondi d’arco: serve un telescopio chepermetta di leggere un quotidiano

posizionato sulla Luna.Questo è l’obiettivo del progettoEHT: creare un telescopio in gradodi osservare direttamente l’orizzontedegli eventi di un buco nero. Ilprogetto EHT, avviato formalmentenel 2009, è costituito da una rete diradiotelescopi molto distanti fra loroe progettati per osservaresimultaneamente la stessa regione dicielo. Questa tecnica è detta VLBI(Very long baseline interferometry, ointerferometria a lunghissima base)e permette di ottenere unarisoluzione molto elevata. La ‘base’è la distanza massima fra coppie diradiotelescopi, in questo caso

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Scienze naturali e matematiche

Il network dei radiotelescopi ETH (credit esa)

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osservatori in esercizio al 2018 osservatorioperativi dal 2020

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paragonabile al diametro dellaTerra. Costruire un interferometro‘grande quanto la Terra’ èimperativo per osservare l’orizzontedi buchi neri supermassicci vicini anoi: per esempio, quello al centrodella nostra galassia, nominatoSagittarius A*, e quello al centrodella galassia M87. Il primo dista25.000 anni luce e ha una massa di 4milioni di volte quella del Sole, ilsecondo dista 55 milioni di anni lucee ha una massa di quasi 7 miliardidi volte quella del Sole. Poiché ilraggio dell’orizzonte aumenta con lamassa del buco nero, i due orizzontihanno una dimensione angolaresimile se osservati da Terra. Il 10aprile 2019 è stata rilasciatal’immagine del buco nero al centrodella galassia M87, insieme a 6articoli scientifici di supporto.Quest’osservazione è stata resapossibile grazie a una rete di 8radiotelescopi sparsi per il globo, dagli Stati Uniti allaSpagna, dalle Hawaii al Cile.Difficoltà tecniche hanno per ilmomento precluso l’osservazionedi Sagittarius A*.L’immagine del buco nero è statadefinita la ‘foto del secolo’, unarivoluzione scientifica di portata

epocale. Come dichiarato da ShepDoeleman, astronomo a Harvard ecapo del progetto EHT, l’immaginemostra per la prima volta una«uscita a senso unico dal nostroUniverso». Si vede un anellobrillante e asimmetrico checirconda una regione oscura,contenente l’ombra dell’orizzontedegli eventi. L’orizzonte non emetteradiazione e quindi non può essereosservato direttamente. Tuttavia,fotografato sullo sfondo di unaregione brillante si mostra comeuna regione oscura, un’ombra. Laregione brillante è costituita da gasa elevatissima temperatura.L’asimmetria nell’anello di luce èdovuta al fatto che il gas presentenella regione più brillante si muoveverso la nostra direzione e sembrapiù luminosa a causa dell’effettoDoppler, similmente al fischio di untreno che si avvicina. Il bordointerno dell’anello luminoso non èl’orizzonte degli eventi, ma laphoton sphere, o sfera di fotoni: unasuperficie dove la gravità è talmenteintensa da obbligare anche i raggi diluce a curvarsi. La maggior partedei fotoni giunti in questa regionecade velocemente verso l’orizzontedegli eventi, il cui diametro è circa

2,5 volte più piccolo rispetto aquello della sfera di fotoni.È impossibile esagerarel’importanza di quest’osservazione.Per la prima volta abbiamoosservato direttamente un orizzontefisico, una superficie oltre la qualenessun tipo di informazione puògiungerci. L’orizzonte degli eventinon rappresenta un unicum: ancheil bordo dell’Universo osservabile èun orizzonte di natura simile e,come tale, insuperabile.Quest’immagine rappresenta inoltreuna nuova conferma della teoriadella relatività generale di AlbertEinstein. Essa prevede infatti chel’ombra dell’orizzonte degli eventisia circolare, mentre un’ellitticitàsarebbe un chiaro segno che lateoria non è valida in regimi digravità così intensi. Entro gli erroridi misura, l’ombra dell’orizzonte diM87 risulta circolare, confermandola teoria di Einstein nel regime dicampo gravitazionale più intensomai testato. Questa conferma arrivaa 100 anni esatti dal primo testdella relatività generale, effettuatoda Arthur S. Eddington e colleghidurante l’eclisse solare del 1919.Quest’immagine fornisce anche unamisura di massa estremamente

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Fotografare l’invisibile: la prima immagine di un buco nero

Identificazione dei buchi neri, una breve storia

L’esistenza dei buchi neri è una dellepredizioni fondamentali della teoriadella relatività generale formulata daAlbert Einstein nel 1915. Prima dellarelatività il concetto di buco nero fudescritto in termini di fisicanewtoniana. La notizia della possibileesistenza di tali corpi fece la comparsaper la prima volta nella letteraturascientifica in un lavoro di John Michelldel 1783 e, indipendentemente, in unlavoro di Pierre-Simon Laplace del1795. Invocando la naturacorpuscolare della luce, Michell eLaplace conclusero che un corpodefinito da un raggio limite eopportuna massa sarebbe risultatoincapace di emettere alcun segnale

luminoso e, dunque, sarebbe apparsocompletamente nero. Oggi sappiamoche la derivazione precedente non èesatta, poiché per buche di potenzialegravitazionale tanto profonde daverificare la condizione velocità difuga=velocità della luce, la fisicanewtoniana cessa di essere valida ediviene necessaria una descrizione intermini della teoria della relativitàgenerale di Einstein. La prima soluzione delle equazioni diEinstein che descrive un buco nero futrovata dall’astronomo tedesco KarlSchwarzschild nel 1916, e trasmessain circostanze rocambolesche edrammatiche (fu resa nota con unalettera da lui scritta dal fronte russo,

poco prima della morte); per moltotempo si pensò che non avessesignificato fisico. Nel 1939, invece,Robert Oppenheimer e HartlandSnyder mostrarono con calcoli teoriciche una nube di gas, contraendosi acausa dell’attrazione gravitazionale,forma un buco nero. Questo fu il primomeccanismo di formazione di buchineri preso in considerazione. Soltantonegli anni Sessanta le osservazioniastronomiche e gli studi teoricidimostrarono che la vita di una stella dimassa sufficientemente grande puòculminare in una esplosione e nelsuccessivo collasso della sua parte piùinterna. Il termine buco nero fu coniatonel 1967 da John Wheeler.

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continua e punta ad aggiungerenuovi telescopi alla rete, al fine dimigliorarne la risoluzione angolare.Dal futuro potremo aspettarcil’immagine del buco nero al centrodella nostra galassia e immagini piùdefinite di ulteriori orizzonti. Le

future immagini saranno ancorapiù dettagliate e spettacolari, manessuna avrà l’impatto emotivo emediatico della prima immagine.Nell’aprile del 2019, infatti, per laprima volta abbiamo osservatodirettamente l’infinito.

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Scienze naturali e matematiche

Rappresentazione artistica di un buco nero supermassiccio in rapida rotazione, circondato da un disco di accrescimento. Il sottile disco dimateriale rotante è composto dai resti di una stella simile al Sole che è stata squarciata dalle forze mareali del buco nero

— Singolarità. Al centro di un buconero, regione di densità infinita in cuiè collassata la materia. Arrivano quimateria ed energia catturate dalbuco nero. Si ritiene che la previsioneprodotta dalla relatività generale delladensità infinita possa indicare larottura della stessa teoria nellecondizioni in cui gli effetti quantisticidiventino importanti.— Orizzonte degli eventi. Lasuperficie che circonda la singolarità,oltre la quale materia ed energia nonpossono sfuggire alla gravità delbuco nero. È il punto di non ritorno,che definisce la ‘parte scura’ delbuco nero.

— Sfera di fotoni. Regione sferica aldi fuori dell’orizzonte degli eventinella quale la forza di gravità delbuco nero è sufficientemente forteda piegare le traiettorie dei fotoni inorbite vincolate, così da proiettareverso gli osservatori esterni un anellobrillante che circonda una zona scura.— Getti relativistici. Getti diparticelle e radiazioni proiettati daipoli di un buco nero a velocitàprossime a quella della luce. Questi getti possono estendersi per migliaia di anni luce nello spazio e sono prodotti nel processodi assorbimento di materia del buco nero.

— Orbita stabile più interna. Laparte più interna del disco diaccrezione, l’ultima zona dove lamateria può orbitare in sicurezzasenza il rischio di oltrepassare lasoglia di non ritorno.— Disco di accrescimento. Disco di materia gassosa ad altissimatemperatura e a elevatissima velocitàintorno al buco nero, che emetteradiazione elettromagneticaconsentendo di rivelarne lalocalizzazione. Parte di questa materia è destinata a varcarel’orizzonte degli eventi, mentre un’altraparte può essere proiettata versol’esterno formando i getti relativisici.

G LO SS A R I O

accurata: il mostro al centro di M87possiede una massa pari a 6,5miliardi di volte quella del Sole.La ‘foto del secolo’ ha rivoluzionatola nostra conoscenza dei buchi neri,gli oggetti più misteriosidell’Universo. Il progetto EHT

Disco di accrescimentoOrizzonte degli eventi

Singolarità

Orbita stabile più interna

Gettirelativistici

Sfera di fotoni

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