Rivoluzione nel mondo dell’astrofisica: svelata la FOTO del secolo, è il primo ritratto di un buco nero

Scattata la prima foto di un buco nero: la rivoluzionaria immagine è stata scattata dall'Event Horizon Telescope, immortala il buco nero al centro della galassia Messier 87

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L’Event Horizon Telescope, collaborazione internazionale che vede la partecipazione di centri di ricerca in tutto il mondo, svela oggi la foto del secolo. Due ricercatrici dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl, sono tra i protagonisti che hanno contribuito alla rivoluzionaria osservazione del gigantesco buco nero nel cuore della galassia Messier 87, come parte del progetto BlackHoleCam. Un altro italiano, Ciriaco Goddi, è segretario del consiglio scientifico del consorzio EHT e responsabile scientifico del progetto BlackHoleCam.

L’Event Horizon Telescope (EHT) è un gruppo di otto radiotelescopi da terra che opera su scala planetaria, nato grazie ad una collaborazione internazionale e progettato con lo scopo di catturare le immagini di un buco nero. Oggi, in una serie di conferenze stampa coordinate in contemporanea in tutto il mondo, i ricercatori dell’EHT annunciano il successo del progetto, svelando la prima prova visiva diretta mai ottenuta di un buco nero supermassiccio e della sua ombra.

Questo incredibile risultato viene presentato in una serie di sei articoli pubblicati in un numero speciale di The Astrophysical Journal Letters. L’immagine rivela il buco nero al centro di Messier 87(1), un’enorme galassia situata nel vicino ammasso della Vergine. Questo buco nero dista da noi 55 milioni di anni luce e ha una massa pari a 6,5 miliardi e mezzo di volte quella del Sole(2).

buco nero super-massiccio
Buco nero super-massiccio all’interno di una galassia

L’EHT collega gli otto radiotelescopi dislocati in diverse parti del pianeta dando vita a un telescopio virtuale di dimensioni pari a quelle della Terra, uno strumento con una sensibilità e una risoluzione senza precedenti(3). L’EHT è il risultato di anni di collaborazione internazionale e offre agli scienziati un nuovo modo di studiare gli oggetti più estremi dell’universo previsti dalla teoria della relatività generale di Einstein, proprio nell’anno del centenario dell’esperimento storico che per primo ha confermato questa teoria(4).

Quello che stiamo facendo è dare all’umanità la possibilità di vedere per la prima volta un buco nero – una sorta di ‘uscita a senso unico’ dal nostro universo“, spiega il direttore del progetto EHT Sheperd S. Doeleman del Center for Astrophysics presso la Harvard University. “Questa è una pietra miliare nell’astronomia, un’impresa scientifica senza precedenti compiuta da un team di oltre 200 ricercatori“.

I buchi neri sono oggetti estremamente compatti, nei quali una quantità incredibile di massa è compressa all’interno di una piccola regione. La presenza di questi oggetti influenza l’ambiente che li circonda in modo estremo, distorcendo lo spazio-tempo e surriscaldando qualsiasi materiale intorno.

Se immerso in una regione luminosa, come un disco di gas incandescente, ci aspettiamo che un buco nero crei una regione scura simile a un’ombra, un effetto previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein che non abbiamo mai potuto osservare direttamente prima“, aggiunge il presidente dell’EHT Science Council Heino Falcke della Radboud University, nei Paesi Bassi. “Quest’ombra, causata dalla curvatura gravitazionale e dal fatto che la luce viene trattenuta dall’orizzonte degli eventi, rivela molto sulla natura di questi affascinanti oggetti e ci ha permesso di misurare l’enorme massa del buco nero di M87“.

Vari metodi di calibrazione e di imaging hanno rivelato una struttura ad anello con una regione centrale scura – l’ombra del buco nero – risultato che ritorna nelle molteplici osservazioni indipendenti fatte dall’EHT.

Le osservazioni dell’EHT sono state possibili grazie alla tecnica nota come Very-Long-Baseline Interferometry (VLBI) che sincronizza le strutture dei telescopi in tutto il mondo e sfrutta la rotazione del nostro pianeta per andare a creare un enorme telescopio di dimensioni pari a quelle della Terra in grado di osservare ad una lunghezza d’onda di 1,3 mm. La tecnica VLBI permette all’EHT di raggiungere una risoluzione angolare di 20 micro secondi d’arco. Un livello di dettaglio tale da permetterci di leggere una pagina di giornale a New York comodamente da un caffè sul marciapiede di Parigi(5).

I telescopi che hanno contribuito a questo risultato sono stati ALMA, APEX, il telescopio IRAM da 30 metri, il telescopio James Clerk Maxwell, il telescopio Alfonso Serrano, il Submillimeter Array, il Submillimeter Telescope e il South Pole Telescope(6). L’enorme quantità di dati grezzi – misurabile in petabyte, ovvero milioni di gigabyte – ottenuta dai telescopi è stata poi ricombinata da supercomputer altamente specializzati ospitati dal Max Planck Institute for Radio Astronomy e dal MIT Haystack Observatory.

La costruzione dell’EHT e le osservazioni annunciate oggi rappresentano il culmine di decenni di lavoro osservativo, tecnico e teorico. Un esempio di lavoro di squadra globale che ha richiesto una stretta collaborazione da parte di ricercatori di tutto il mondo. Tredici istituzioni partner hanno lavorato insieme per creare l’EHT, utilizzando sia le infrastrutture preesistenti che il supporto di diverse agenzie. I principali finanziamenti sono stati forniti dalla US National Science Foundation (NSF), dal Consiglio europeo della ricerca dell’UE (ERC) e da agenzie di finanziamento in Asia orientale.

L’ESO ha l’onore di aver contribuito in modo significativo a questo risultato attraverso la sua leadership europea e il suo ruolo chiave in due dei telescopi componenti di EHT, che si trovano in Cile – ALMA e APEX“, commenta il Direttore Generale dell’ESO Xavier Barcons. “ALMA è la struttura più sensibile dell’EHT e le sue 66 antenne ad alta precisione sono state fondamentali per questo successo” conclude Ciriaco Goddi, segretario del consiglio scientifico del consorzio EHT, che si e’ occupato della calibrazione ALMA per l’EHT.

L’INAF può vantare un importante coinvolgimento nella rivoluzionaria osservazione come parte del progetto Europeo BlackHoleCam, di cui lo stesso Ciriaco Goddi è il Project Scientist. Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – IRA Bologna sono due ricercatrici del nodo italiano dell’ALMA Regional Centre, uno dei sette che compongono la rete europea che fornisce supporto tecnico-scientifico agli utenti di ALMA, e che è ospitato proprio presso la sede dell’INAF di Bologna. Nel 2018 entrambe sono entrate a far parte del progetto BHC, finanziato dall’ERC come partner del progetto EHT, e fanno a tutti gli effetti parte dell’Event Horizon Telescope Consortium, in cui sono membri dei gruppi di lavoro che si occupano di calibrazione e imaging.

La calibrazione dei dati EHT è stata una grande sfida: i segnali astronomici sono deboli nella banda millimetrica, e distorti per effetto dell’atmosfera, che varia molto velocemente a queste frequenze“, sottolinea Liuzzo, che insieme a Rygl ha partecipato allo sviluppo di uno dei tre software usati per la calibrazione dei dati EHT.

Pur operando come un unico strumento che abbraccia il globo l’EHT, infatti, rimane una miscela di stazioni con design e operazioni diverse. Questo ed altri fattori, insieme alle sfide associate alla VLBI, hanno dato impulso allo sviluppo di tecniche specializzate di elaborazione e calibrazione. “Tre diversi gruppi di ricerca, ognuno dei quali ha utilizzato un diverso software di calibrazione, hanno convalidato in modo incrociato questi dati e hanno trovato risultati coerenti”, specifica Rygl aggiungendo che “è estremamente gratificante vedere come i dati calibrati possano essere tradotti in fisica dei buchi neri”.

Il progetto Black Hole Cam è partito nel 2014 con l’obiettivo di misurare, comprendere e ‘vedere’ i buchi neri e fare test sulle principali previsioni della teoria della relatività generale di Einstein”, aggiunge Ciriaco Goddi, che conclude: “Nel 2016 il progetto è entrato a far parte, insieme ad altri partner internazionali, dell’Event Horizon Telescope Consortium visto il comune obiettivo: ottenere la prima immagine di un buco nero”.

Abbiamo raggiunto un risultato che solo una generazione fa sarebbe stato ritenuto impossibile“, conclude Doeleman. “I progressi tecnologici e il completamento dei nuovi radiotelescopi nell’ultimo decennio hanno permesso al nostro team di assemblare questo nuovo strumento, progettato per vedere l’invisibile“.

Un risultato incredibile, che prometta di essere un punto non di arrivo ma di partenza nella strada per la comprensione del nostro Universo.

NOTE

1) L’ombra di un buco nero è la cosa più vicina a un’immagine del buco nero stesso, un oggetto completamente scuro da cui la luce non può sfuggire. Il confine del buco nero – chiamato orizzonte degli eventi, da cui l’EHT prende il nome – è circa 2,5 volte più piccolo dell’ombra che proietta e misura poco meno di 40 miliardi di km di diametro.

2) I buchi neri supermassicci sono oggetti astronomici relativamente piccoli – il che li ha resi finora impossibili da osservare direttamente. Poiché la dimensione di un buco nero è proporzionale alla sua massa, più un buco nero è massiccio, più grande è l’ombra. Grazie alla sua enorme massa e alla sua relativa vicinanza, il buco nero di M87 è stato ritenuto come uno dei più grandi che fosse possibile osservare dalla Terra – il che lo rende un bersaglio perfetto per l’EHT.

3) Anche se i telescopi non sono fisicamente collegati, sono in grado di sincronizzare i dati registrati con gli orologi atomici – maser a idrogeno – che cronometrano con precisione le loro osservazioni. Queste osservazioni sono state raccolte ad una lunghezza d’onda di 1,3 mm durante una campagna osservativa globale del 2017. Ogni telescopio dell’EHT ha prodotto enormi quantità di dati – circa 350 terabyte al giorno – che sono stati memorizzati su dischi rigidi ad alte prestazioni riempiti di elio. Questi dati sono stati inviati a supercomputer altamente specializzati – noti come correlatori – situati presso il Max Planck Institute for Radio Astronomy e il MIT Haystack Observatory, per essere combinati. Sono stati poi scrupolosamente convertiti in un’immagine utilizzando i nuovi strumenti di calcolo sviluppati dalla collaborazione.

4) 100 anni fa, due spedizioni partirono alla volta dell’Isola di Príncipe, al largo delle coste africane e Sobra in Brasile, per osservare l’eclissi solare del 1919, con l’obiettivo di testare la relatività generale osservando se la luce delle stelle sarebbe stata distorta intorno al bordo del Sole, come previsto da Einstein. Un po’ come avvenne per quelle osservazioni, la collaborazione EHT ha mandato i membri del team in alcune delle strutture osservative radio più alte e isolate del mondo, con lo scopo di testare ancora una volta la nostra comprensione della gravità.

5) Le future osservazioni dell’EHT vedranno aumentare notevolmente la sensibilità raggiunta, grazie alla partecipazione dell’Osservatorio IRAM NOEMA, del telescopio della Groenlandia e del Kitt Peak Telescope.

6) ALMA è una partnership dell’European Southern Observatory (ESO; Europa, in rappresentanza dei suoi Stati membri), della U.S. National Science Foundation (NSF), e degli Istituti Nazionali di Scienze Naturali (NINS) del Giappone, insieme al National Research Council (Canada), al Ministero della Scienza e della Tecnologia (MOST; Taiwan), all’Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) e al Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Repubblica di Corea), in collaborazione con la Repubblica del Cile. APEX è gestito dall’ESO, il telescopio da 30 metri è gestito dall’IRAM (le organizzazioni partner dell’IRAM sono MPG (Germania), CNRS (Francia) e IGN (Spagna)), il telescopio James Clerk Maxwell è gestito dall’EAO, il Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano è gestito dall’INAOE e UMass, il Submillimeter Array è gestito da SAO e ASIAA e il Submillimeter Telescope è gestito dall’Arizona Radio Observatory (ARO). Il South Pole Telescope è gestito dall’Università di Chicago con strumentazione specializzata fornita dall’Università dell’Arizona per EHT.

Per saperne di più:

La ricerca è stata presentata in una serie di sei articoli pubblicati oggi in un numero speciale di Astrophysical Journal Letters:

La collaborazione EHT coinvolge più di 200 ricercatori provenienti da Africa, Asia, Europa, Nord e Sud America. La collaborazione internazionale sta lavorando per catturare le immagini più dettagliate dei buchi neri creando un telescopio virtuale di dimensioni pari a quelle della Terra. Supportato da considerevoli investimenti internazionali, l’EHT collega i telescopi esistenti utilizzando nuovi sistemi, dando vita a uno strumento fondamentalmente nuovo con il più alto potere di risoluzione angolare che sia mai stato raggiunto.

I singoli telescopi coinvolti sono: ALMA, APEX, il telescopio IRAM da 30 metri, l’Osservatorio IRAM NOEMA, il telescopio James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), il Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), il Submillimeter Array (SMA), il Submillimeter Telescope (SMT), il South Pole Telescope (SPT), il Kitt Peak Telescope e il Greenland Telescope (GLT).

La collaborazione EHT è composta da 13 istituti; l’Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, l’Università dell’Arizona, l’Università di Chicago, l’East Asian Observatory, Goethe-Universitaet Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max Planck Institute for Radio Astronomy, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud University e lo Smithsonian Astrophysical Observatory of Japan.