Per la prima volta alcuni astronomi hanno osservato, nella stessa immagine, l’ombra del buco nero al centro della galassia Messier 87 (M87) e il potente getto da esso espulso. Le osservazioni sono state effettuate nel 2018 con i telescopi del GMVA (Global Millimeter VLBI Array), di ALMA (‘Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), di cui l’ESO è partner, e del GLT (Greenland Telescope). Grazie a questa nuova immagine, gli astronomi possono capire meglio come riescano i buchi neri a lanciare getti così energetici.
La maggior parte delle galassie ospita nel proprio centro un buco nero supermassiccio. Si sa che i buchi neri inghiottono la materia nelle loro immediate vicinanze, ma essi possono anche lanciare potenti getti di materia che si estendono ben oltre la dimensione della galassia che li ospita. Capire come i buchi neri possano creare getti così enormi è un problema ormai annoso. “Sappiamo che i getti vengono espulsi dalla regione che circonda i buchi neri“, afferma Ru-Sen Lu dell’Osservatorio Astronomico di Shanghai in Cina, “ma non comprendiamo ancora del tutto come ciò effettivamente avvenga. Per studiarlo direttamente, dobbiamo osservare l’origine del getto il più vicino possibile al buco nero”.
La nuova immagine pubblicata oggi mostra esattamente questo per la prima volta: come la base del getto si connette con la materia che ruota intorno a un buco nero supermassiccio. L’oggetto osservato è la galassia M87, ubicata a 55 milioni di anni luce di distanza dai, nel nostro quartiere in senso cosmico, e ospite di un buco nero 6,5 miliardi di volte più massiccio del Sole. Osservazioni precedenti erano riuscite a fotografare separatamente la regione vicina al buco nero e il getto, ma questa è la prima volta che entrambe le strutture sono state osservate insieme. “Questa nuova immagine completa il quadro mostrando contemporaneamente la regione intorno al buco nero e il getto“, aggiunge Jae-Young Kim del Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Germania.
Credit S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)
L’immagine è stata ottenuta con GMVA, ALMA e GLT, che formano una rete di radiotelescopi sparsi in tutto il mondo che lavora insieme come un telescopio virtuale delle dimensioni della Terra. Una rete così grande può distinguere dettagli minutissimi nella regione attorno al buco nero di M87.
La nuova immagine mostra il getto che emerge dalla vicinanza del buco nero, così come quella che gli scienziati chiamano l’ombra del buco nero. Mentre la materia orbita intorno al buco nero, si riscalda ed emette luce. Il buco nero distorce e cattura parte di questa luce, creando una struttura ad anello intorno al buco nero visibile dalla Terra. La zona scura al centro dell’anello è l’ombra del buco nero, ripresa per la prima volta dall’EHT (Event Horizon Telescope o Telescopio dell’Orizzonte degli Eventi) nel 2017. Sia questa nuova immagine che quella di EHT combinano i dati ottenuti da diversi radiotelescopi in tutto il mondo, ma l’immagine pubblicata oggi mostra la luce radio emessa a una lunghezza d’onda maggiore di quella di EHT: 3,5 mm invece di 1,3 mm. “A questa lunghezza d’onda, possiamo vedere come il getto emerge dall’anello di emissione intorno al buco nero supermassiccio centrale“, conferma Thomas Krichbaum del Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
La dimensione dell’anello come osservata dalla rete GMVA è circa il 50% più grande rispetto all’immagine dell’EHT. “Per comprendere l’origine fisica di questo anello più grande e più spesso, abbiamo dovuto utilizzare simulazioni numeriche per verificare diversi scenari“, spiega Keiichi Asada dell’Academia Sinica di Taiwan. I risultati suggeriscono che la nuova immagine rivela una maggior quantità di materiale in caduta verso il buco nero rispetto a quanto sia osservabile con l’EHT.
Gabriele Giovannini e Marcello Giroletti, dell’INAF di Bologna e tra gli autori dello studio, raccontano: “il buco nero al centro della galassia M87 è ben noto essendo il primo di cui è stata ottenuta una immagine (dal team dell’Event Horizon Telescope EHT). Noi lo abbiamo osservato con alta sensibilità ad una lunghezza d’onda leggermente più grande (3,5 mm) e quindi più adatta a rivelare le strutture più estese della sorgente. Le immagini hanno infatti mostrato che la struttura ad anello intorno al buco nero è più estesa di quanto si credeva e che questo anello è collegato al getto relativistico visto in M87. Per la prima volta vediamo quindi il collegamento tra la materia che circonda il buco nero e la base del getto relativistico”.
Queste nuove osservazioni del buco nero di M87 sono state condotte nel 2018 con il GMVA, formato da 14 radiotelescopi in Europa e Nord America [1]. Inoltre, altre due strutture sono state collegate al GMVA: il Greenland Telescope e ALMA, di cui l’ESO è partner. ALMA è costituito da 66 antenne ubicate nel deserto cileno di Atacama e ha svolto un ruolo chiave in queste osservazioni. I dati raccolti da questi telescopi sparsi in tutto il mondo vengono combinati utilizzando una tecnica chiamata interferometria, che sincronizza i segnali presi da ogni singola struttura. Ma per catturare adeguatamente la vera forma di un oggetto astronomico è importante che i telescopi siano ben distribuiti su tutta la Terra. I telescopi di GMVA sono per lo più allineati da est a ovest, quindi l’aggiunta di ALMA nell’emisfero australe si è rivelata essenziale per catturare l’immagine del getto e dell’ombra del buco nero di M87. “Grazie all’ubicazione e alla sensibilità di ALMA, abbiamo potuto rivelare l’ombra del buco nero e nello stesso tempo vedere più in profondità l’emissione del getto“, spiega Lu.
L’emissione da questa regione di M87 è prodotta dall’interazione tra elettroni altamente energetici e campi magnetici, un fenomeno chiamato radiazione di sincrotrone. Le nuove osservazioni, a una lunghezza d’onda di 3,5 millimetri, rivelano maggiori dettagli sulla presenza e l’energia di questi elettroni. Ci dicono anche qualcosa sulle proprietà del buco nero, in particolare che non è molto “affamato”. Cosa vuol dire? Consuma materia a bassa velocità, convertendo solo una piccola frazione di essa in radiazioni.
Le prossime osservazioni con questa rete di telescopi continueranno a svelarci come i buchi neri supermassicci possano lanciare potenti getti. “Abbiamo in programma di osservare la regione intorno al buco nero al centro di M87 a diverse lunghezze d’onda nella banda radio per studiare ulteriormente l’emissione del getto“, racconta Eduardo Ros del Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Le osservazioni simultanee dovrebbero permettere al gruppo di lavoro di districare i complicati processi che avvengono vicino al buco nero supermassiccio. “I prossimi anni saranno entusiasmanti, poiché potremo imparare di più su ciò che accade nei pressi di una delle regioni più misteriose dell’Universo“, conclude Ros.
[1] Anche la rete coreana VLBI fa ora parte del GMVA, ma non ha partecipato alle osservazioni qui riportate.
