La storica immagine del buco nero supermassiccio situato al centro della galassia Messier 87, presentata al mondo nel 2019 e caratterizzata da un inconfondibile anello luminoso, è autentica e non costituisce un artefatto computazionale. A confermarlo in modo definitivo è un autorevole studio guidato dal ricercatore Samuel Lai dell’agenzia scientifica australiana CSIRO insieme a Nithyanandan Thyagarajan, O. Ivy Wong e Foivos Diakogiannis, appena pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Nature. La ricerca segna un punto di svolta atteso da anni nell’ambito dell’astrofisica relativistica e della radioastronomia, poiché impiega un innovativo metodo di ricostruzione basato sul deep learning e su grandezze fisiche indipendenti, capace di superare i dubbi e le controversie sollevati da precedenti analisi esterne.
Il dibattito sull’immagine di M87* e i limiti dell’interferometria tradizionale
Quando la collaborazione internazionale Event Horizon Telescope (EHT) rivelò nell’aprile del 2019 il primo ritratto diretto dell’ombra di M87*, la comunità scientifica globale celebrò il trionfo della teoria della relatività generale di Albert Einstein. Quell’immagine iconica, tuttavia, non era una fotografia convenzionale ottenuta con un singolo scatto, bensì il risultato di una complessa elaborazione numerica derivata dalla tecnica dell’interferometria a lunghissima base (VLBI). Collegando radiotelescopi millimetrici dislocati in diversi angoli del pianeta, l’EHT ha sintetizzato un telescopio virtuale con un’apertura equivalente al diametro della Terra.
A causa delle enormi distanze geografiche tra le antenne e della rotazione terrestre, l’apertura sintetica ottenuta risulta inevitabilmente vuota nella maggior parte della sua superficie. La ricostruzione dell’immagine costituisce pertanto quello che in matematica viene definito un problema inverso mal posto, nel quale i dati raccolti sono estremamente frammentari e possono essere compatibili con molteplici configurazioni geometriche. Nei metodi classici di elaborazione, i ricercatori devono fare affidamento su complesse calibrazioni dei singoli strumenti, correggere le rapide distorsioni causate dall’atmosfera e applicare dei vincoli a priori, noti come prescriptive priors o assunzioni iniziali. Ad esempio, molte pipeline standard venivano inizializzate con modelli a ciambella di circa quaranta microsecondi d’arco.
Negli anni successivi, questa inevitabile componente interpretativa ha aperto il fianco a legittimi interrogativi metodologici. Alcune rianalisi indipendenti condotte con approcci alternativi avevano suggerito che l’anello potesse essere una struttura spuria, indotta proprio dalle scelte di calibrazione e dall’ampiezza della finestra di visualizzazione. Estendendo il campo visivo oltre i centoventi microsecondi d’arco, alcuni team avevano sostenuto che i dati privilegiassero una singola sorgente allungata priva di buco centrale, insinuando il sospetto che l’anello di luce attorno all’orizzonte degli eventi fosse un miraggio computazionale generato dai software.
La svolta degli invarianti di chiusura per eliminare gli errori strumentali
Per superare l’impasse e dirimere una questione fondamentale per la fisica contemporanea, il gruppo guidato da Samuel Lai ha ripensato da zero la strategia di trattamento del segnale interferometrico. Il fulcro metodologico della nuova pubblicazione risiede nell’utilizzo esclusivo dei cosiddetti invarianti di chiusura (closure invariants). In radioastronomia convenzionale, l’analisi si concentra sulle singole coppie di stazioni osservative, le quali rimangono vulnerabili a fluttuazioni di guadagno e instabilità di fase provocate dalle turbolenze atmosferiche continentali.
Gli invarianti di chiusura rappresentano una generalizzazione matematica delle classiche fasi e ampiezze di chiusura. Questo formalismo unificato combina le misurazioni di triplette chiuse di radiotelescopi disposti a triangolo, eliminando per via algebrica i fattori di distorsione specifici di ciascuna stazione. Le grandezze che ne scaturiscono contengono un’informazione puramente morfologica sulla sorgente che risulta del tutto immune dagli errori di calibrazione del fronte d’onda e della strumentazione. Rinunciando a informazioni secondarie come la posizione assoluta nel cielo e la scala del flusso totale, i ricercatori hanno potuto alimentare i modelli con dati osservativi incontaminati da qualsiasi taratura soggettiva.
GenDIRECT e l’intelligenza artificiale generativa senza pregiudizi visivi
L’altra grande innovazione presentata su Nature è l’algoritmo di imaging GenDIRECT (Generative Deep learning Image Reconstruction with Closure Terms), progettato e sviluppato dagli autori per operare in modo completamente autonomo. A differenza di altre soluzioni di intelligenza artificiale applicate alla radioastronomia, GenDIRECT accoppia un modello di diffusione latente condizionato direttamente dagli invarianti di chiusura a una rete neurale convoluzionale a più livelli deputata all’ottimizzazione della verosimiglianza.
L’aspetto più dirompente della procedura riguarda l’addestramento della rete. Per evitare che l’algoritmo venisse influenzato da aspettative astrofisiche o che ricostruisse un anello semplicemente perché “programmato” per riconoscerlo, i ricercatori hanno addestrato l’architettura su immagini non astronomiche tratte dal dataset CIFAR-10, composto da fotografie ordinarie della vita quotidiana. Il software ha così appreso le proprietà universali di un’immagine coerente, come la continuità della luce e la positività dell’intensità, senza alcuna propensione verso geometrie cosmiche. Gli autori hanno persino condotto test di controllo escludendo qualsiasi forma geometrica circolare dal set di training, dimostrando che l’algoritmo converge verso la medesima struttura anulare.
Inoltre, GenDIRECT non richiede alcuna inizializzazione manuale al momento dell’elaborazione e produce la ricostruzione in un singolo passaggio in avanti (single forward pass), esplorando lo spazio delle soluzioni in maniera oggettiva. Quando sottoposto a finestre di campo visivo crescenti, comprese tra centoventotto e quattrocentocinquanta microsecondi d’arco, il modello non ha mostrato la presunta instabilità geometrica ipotizzata dai critici, confermando che i segnali di luce non si disperdono in formazioni lineari artificiali.
Analisi su tre anni di osservazioni e stima della massa del buco nero
Il nuovo algoritmo è stato testato su un ampio archivio di osservazioni reali di M87* raccolte durante le campagne osservative globali del 2017, del 2018 e del 2021, coprendo complessivamente otto diverse epoche temporali. In tutti i set di dati dotati di elevata qualità e adeguata copertura del piano interferometrico, la morfologia ad anello è riemersa con eccezionale nitidezza e robustezza statistica. Le soluzioni alternative prive di buco centrale comparivano raramente e solo nei giorni caratterizzati da gravi carenze di copertura o basso rapporto segnale-rumore, rivelando chiaramente che le precedenti contestazioni erano frutto di dati degradati e non della fisica intrinseca del target.
Dalle immagini ricostruite in modo non parametrico è stato estratto un diametro angolare medio dell’anello pari a 42,2 microsecondi d’arco, con un’incertezza di appena 1,5 microsecondi d’arco. Il risultato è stato ulteriormente convalidato attraverso una modellizzazione geometrica bayesiana complementare condotta con il pacchetto BASIS, che ha fornito un diametro compatibile di 42,3 microsecondi d’arco.
Correlando queste dimensioni angolari alla distanza della galassia ospitante, stimata a circa 16,8 megaparsec, lo studio ha ricavato una massa del buco nero pari a 6,5 miliardi di masse solari. Questa misura indipendente collima perfettamente con i valori ricavati dalla dinamica delle orbite stellari (circa 6,6 miliardi di masse solari) e conferma l’attendibilità dei parametri fisici descritti dalla collaborazione EHT, allontanando l’ipotesi di masse inferiori derivate dalla cinematica dei gas. L’analisi della distribuzione di luminosità ha evidenziato inoltre una marcata asimmetria nella porzione meridionale, compatibile con un’inclinazione dell’asse di rotazione di circa 20 gradi rispetto al potente getto relativistico uscente, in pieno accordo con gli effetti di amplificazione Doppler della radiazione previsti per un disco di accrescimento magnetizzato.
Nuove prospettive per l’astrofisica relativistica e l’imaging cosmico
L’indagine descritta sulle pagine di Nature non si limita a blindare una delle scoperte astronomiche più celebri del ventunesimo secolo, ma inaugura un nuovo standard metodologico per l’indagine dello spazio profondo. Dimostrando che l’ombra del buco nero può essere ricostruita fedelmente senza imporre modelli predeterminati e sfruttando quantità immuni da calibrazioni arbitrarie, la ricerca apre la strada all’imaging cieco e oggettivo anche in regimi di osservazione estremi.
Questo traguardo pone basi solide per i progetti di prossima generazione, come il Next Generation Event Horizon Telescope (ngEHT) e le future missioni di interferometria spaziale orbitale. Tali strumenti avranno la sensibilità necessaria per risolvere l’anello fotonico sottile e quantificare in modo diretto lo spin del buco nero. Grazie a strumenti algoritmici come GenDIRECT, l’umanità possiede oggi la certezza matematica che quello sguardo spalancato sull’abisso gravitazionale di Messier 87 non è stato un inganno della tecnologia, ma la visione autentica del confine ultimo dello spazio-tempo.