Scritto: Sabato, 11 Aprile 2020 07:54 Ultima modifica: Domenica, 12 Aprile 2020 08:45

Buco nero, il signore degli anelli


 Un anno fa il mondo vide la prima, confusa immagine di un buco nero; quella figura nasconde una struttura molto più intricata, fatta di innumerevoli anelli di luce la cui impronta potrebbe essere rivelata dai futuri radiointerferometri nello spazio.

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A sinistra, una delle immagini di M87 fornite da EHT. A destra, la stessa struttura "simulata", con la distribuzione di "temperatura di brillanza" in due differenti visualizzazioni (monocromatica e falsi colori), utilizzando  un modello GRMHD per il disco di accrescimento ed assumendo un buco nero rotante di 6,2 miliardi di masse solari. A sinistra, una delle immagini di M87 fornite da EHT. A destra, la stessa struttura "simulata", con la distribuzione di "temperatura di brillanza" in due differenti visualizzazioni (monocromatica e falsi colori), utilizzando  un modello GRMHD per il disco di accrescimento ed assumendo un buco nero rotante di 6,2 miliardi di masse solari. Credits: Johnson et al., Science Advance / AAAS  - Processing: Marco Di Lorenzo

 Nota: Questo articolo costituisce un approfondimento dell'argomento già affrontato da Elisabetta Bonora pochi giorni fa.

 Esattamente un anno fa, la collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) svelò le prime, sconvolgenti immagini di un buco nero supermassiccio in M87. La tecnica utilizzata era quella della "interferometria a lunghissima base" (VLBI) portata all'estremo, utilizzando una lunghezza d'onda di soli 1,3 mm e impiegando 8 antenne sparse su 3 continenti (compresa l'Antartide); data la linea di base o "baseline" (distanza massima tra due antenne) di circa 10000 km, questo ha consentito di raggiungere un potere risolutivo migliore di 30 milionesimi di secondo d'arco (30 μas), sufficienti a rivelare un "anello di luce" ampio 40 μarcsec attorno al buco nero, o meglio attorno alla sua ombra1; a dire il vero, come abbiamo spiegato tempo fa, nel raggiungere questo risultato siamo stati aiutati anche dalla gravità dello stesso buco nero che ha agito come una lente d'ingrandimento. Quella specie di "ciambella asimmetrica" risulta in buon accordo con le previsioni teoriche, ma adesso si pensa già a come vedere qualche ulteriore dettaglio, il che potrebbe aiutarci a comprendere molto di più. 

 La sequenza di radio-immagini qui sotto rende l'idea di quanto piccolo sia l'anello osservato. La prima mappa in alto, ricostruita sulla base delle misure dell'interferometro VLA/Jansky con baseline di 27 km e lunghezza d'onda di 20 cm, mostra l'intera radiosorgente associata al M87, con il famoso getto ad alta energia (la cui porzione iniziale è visibile anche nell'ottico e nei raggi X) che confluisce in uno dei due caratteristici "radio-lobi" che si estendono fino a 10000 anni luce dal buco nero; l'immagine esibisce già una risoluzione migliore di un secondo d'arco. Le due immagini successive sono ottenute tramite interferometria su base continentale e intercontinentale, a lunghezza d'onda decrescente (7 e 3,5 mm). Quella targata VLBA (Very Long Baseline Array) sfrutta la rete interferomentrica del Nord-America (10 antenne su una base di oltre 8000 km) e già supera ampiamente in risoluzione lo stesso Hubble Space Telescope, perchè mostra dettagli più piccoli di 1 milli-secondo d'arco. Quella successiva si spinge ancora oltre e rivela dettagli della parte iniziale del getto relativistico, delle dimensioni di settimane-luce; per inciso, la rete GMVA (Global mm-VLBI Array) è composta da una dozzina di strumenti sparsi su diversi continenti, tra cui lo stesso VLBA insieme all'interferometro ALMA e ai grandi radiotelescopi a singola antenna di Green Bank (USA) ed Effelsberg (Germania); in futuro si dovrebbero aggiungere altri strumenti, tra cui due radiotelescopi italiani, quello di Noto (in Sicilia) e il "Sardinia Radio Telescope" SRT da 64 metri di diametro.

 Zoom ESO

Sequenza di immagini radio di M87, con ingrandimento crescente sul nucleo; da notare sullo sfondo l'immagine ottica della galassia e del suo getto, ripresa da Hubble - Credits: ESO/ESA/NASA/GMVA/EHT collaboration - Processing: Marco Di Lorenzo

 Ma quella prima immagine, pur con tutto il suo valore scientifico ed emotivo, naturalmente non soddisfa la sete di informazioni degli scienziati. A questo proposito, di recente è uscito un interessante studio da parte di un gruppo di 17 ricercatori americani (tra cui figurano, come spesso avviene, un paio di cognomi di chiara origine italiana) in cui si analizza in dettaglio la sotto-struttura che dovrebbe presentare l'anello di luce appena intravisto da EHT. Gli autori mostrano che la relatività generale prevede un'intricata successione di anelli concentrici, sempre più sottili ed affollati andando verso l'orizzonte degli eventi, con una "firma" distintiva riconoscibile da un sistema interferometrico come quelli in progetto, che prevedono l'utilizzo di frequenze ancora più alte e soprattutto il lancio di antenne anche nello spazio, a grande distanza dalla Terra. Il riconoscimento di questa "firma" caratteristica da parte di un futuro EHT esteso nello spazio offrirebbe un approccio promettente per determinare con precisione la massa e la rotazione dei buchi neri e per testare le previsioni della relatività generale in un ambiente così estremo come lo spazio-tempo distorto attorno ad un buco nero super-massiccio.
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A sinistra, il percorso dei raggi di luce attorno al buco nero a seconda della loro direzione di provenienza (l'osservatore è a grande distanza sulla destra); a destra, luminosità complessiva risultante, con indicazione delle varie componenti dominanti (immagine diretta, lente gravitazionale e anello fotonico) i cui colori corrispondono ai raggi nella figura di sinistra - Credits: Johnson et al., Science Advance / AAAS - Processing: Marco Di Lorenzo 

 La struttura ad "anelli nidificati" fa riferimento ad immagini multiple dell' universo attorno al buco nero, fornite da fotoni che effettuano un numero semi-intero di rivoluzioni attorno ad esso, prima di indirizzarsi verso noi osservatori sulla Terra. Il curioso meccanismo viene illustrato in maniera lampante nei due diagrammi qui sopra ed anche in questo video, una simulazione realizzata dal Center for Astrophysics (Harvard & Smithsonian).

 Il meccanismo di base è sempre quello dell'anello di Einstein, basato sulla focalizzazione della luce da parte di una lente gravitazionale come quelle effettivamente generate dagli ammassi di galassie. Qui però il miraggio è amplificato e moltiplicato una infinità di volte grazie alla gravità estrema del buco nero, come l'immagine ripetuta all'infinito da una coppia di specchi piani posti uno di fronte all'altro, con l'aggiunta della deformazione simmetricamente circolare dovuta alla gravità e con l'introduzione di ulteriori effetti asimmetrici dovuti alla rotazione del buco nero.

 Come si vede nella illustrazione precedente, l'anello più luminoso è costituito dai raggi della cosiddetta "sfera fotonica" 1(in rosso), che hanno subito una deviazione di almeno 270° rispetto alla direzione iniziale, prima di venire spediti verso l'osservatore, tutti fortemente collimati; al suo interno, questo anello fotonico racchiude più sotto-anelli corrispondenti a più giri attorno al buco nero, fino al punto "asintotico" in cui il fotone viene di fatto intrappolato in orbita e non può sfuggire; quel punto, in un buco nero non rotante, si trova ad una distanza di 1,5 volte il raggio di Schwarzschild dal centro.

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Il "Photon ring" come somma di varie componenti (l'ombra sul disco di accrescimento e gli "anelli fotonici" di vari ordini) - Credits: Eurekalert!/AAS/Institute for Advanced Study

 Ciascuna di queste immagini è quindi un'istantanea sempre più ritardata e rimpicciolita dell'universo "visto dal buco nero". Questa sequenza di immagini "auto-similari" è dominata dall'emissione da parte della materia nelle immediate vicinanze del buco nero, il suo disco di accrescimento. L'anello fotonico principale (con n = 1) appare come una caratteristica nitida e luminosa nelle simulazioni di ray-tracing, basate sui modelli magnetoidrodinamici incrociati con la Relatività Generale (GRMHD); invece, i sotto-anelli di cui parlano gli autori sono meno appariscenti e apparentemente difficili da rivelare, tuttavia in grado di generare una impronta caratteristica nei dati raccolti da un interferometro sufficientemente esteso.

 Delle due illustrazioni sottostanti, quella a sinistra (resa molto più comprensibile rispetto all'originale) è la rappresentazione di un buco nero rotante con asse di rotazione verticale; le gradazioni di colore rappresentano la sfera fotonica a diverse distanze dal centro. Nella porzione in basso (sotto-figure contrassegnate dalle lettere B,C,D), è riportato l'aspetto dell'anello fotonico per osservatori posti a diversi angoli rispetto ad esso; l'origine degli assi indica la posizione del buco nero. Evidentemente, solo un osservatore nei pressi del piano equatoriale (fig.B) ha la possibilità di vedere le regioni più interne, vicine all'orizzonte degli eventi (in bianco); esse appariranno nella parte schiacciata dell'anello, palesemente decentrato rispetto alla posizione del buco nero. Gli altri osservatori, invece, vedono un anello sempre più circolare contenente l'immagine di regioni più esterne, quelle comprese tra le due linee tratteggiate nella figura in alto per un angolo di 17° dall'asse (figura C) e quelle lungo il cerchio blu nel caso di un osservatore sull'asse (D).

viste 2i 

 Credits: Johnson et al., Science Advance / AAAS - Processing: Marco Di Lorenzo

 L'asimmetria dell'anello fotonico è messa in evidenza nel diagramma (A) a destra in alto, dove le curve blu e rossa tracciano la luminosità registrata in direzione perpendicolare e parallela all'asse di rotazione, rispettivamente. I profili dettagliati sono visibili nei due grafici (B) e (C) subito sotto, dove è possibile distinguere gli anelli parzialmente sovrapposti di ordine n=1,2,3, progressivamente più stretti e interni. E' proprio questa la struttura che si spera di riuscire a vedere in futuro, perchè risolverla permetterebbe di misurare una serie di parametri cruciali sul buco nero, come la massa precisa, la velocità di rotazione, l'orientamento dell'asse ed altro.

 La figura sottostante mostra appunto la "visibilità" della struttura ad anelli nidificati prevista in M87, misurata come intensità del segnale in funzione della baseline dell'interferometro, inversamente proporzionale al potere risolutivo in micro-second d'arco. I picchi più interni (sulla sinistra) sono dovuti all'anello principale e sono fortemente "disturbati" dalla presenza del disco di accrescimento e dei jet di materia relativistica; pertanto, risultano poco utili per ricavare le suddette caratteristiche del buco nero; proprio questa è la regione per ora esplorata da EHT (barra nera in basso a sinistra). Se potessimo andare al di sotto dei 10 μas, invece, la struttura del primo anello fotonico (curva in nero) risalterebbe molto meglio e questo diventerà fattibile anche da terra, potenziando la rete interferometrica con frequenze di osservazione sub-millimetrica, oppure lanciando radiotelescopi in orbita terrestre a media altezza (orbite MEO, a qualche migliaio di km).

Baselines

In alto, la visibilità delle frange interferometriche al variare del potere risolutivo/baseline; in basso, il tipo di radiointerferometro richiesto in funzione della lunghezza d'onda - Credits: Johnson et al., Science Advance / AAAS - Processing: Marco Di Lorenzo 

 Per riuscire a vedere la "firma" del secondo anello fotonico (curva azzurra) bisogna disporre di una "baseline" pari a qualche centinaio di miliardi di volte la lunghezza d'onda, quindi è necessario avere radiotelescopi sulla Luna o comunque nello spazio "cis-lunare". Infine, per poter intravedere il terzo anello bisogna spingersi almeno fino ai punti di librazione lagrangiani (L2), utilizzando comunque lunghezze d'onda comunque molto ridotte, micro-onde non superiori a 0,2 mm. In linea di principio, tutto questo sarebbe ottenibile anche con una singola antenna nello spazio che lavori in tandem con quelle a Terra ma questo significa che non sarà possibile ottenere una vera immagine del buco nero e dei suoi anelli, solo indizi sui sotto-anelli. La situazione potrebbe cambiare se si riuscisse a fare interferometria su base planetaria nella banda infrarossa o addirittura nel visibile ma, pero ora, si tratta di una prospettiva ancora più fantascientifica, date le enormi barriere tecnologiche e il disturbo introdotto dall'atmosfera...

 

Note:

  1. A rigore, il guscio fotonico non dovrebbe essere visibile da Terra perchè costituito da fotoni intrappolati in orbita attorno al buco nero; qui invece si parla di "anello fotonico" per indicare fotoni "quasi" in orbita che però vengono da regioni leggermente più esterne e quindi sfuggono alla gravità, sebbene fortemente deviati e arrossati! Un discorso analogo si potrebbe fare per l'espressione impropria "ombra del buco nero"...

 

Riferimenti:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/ifas-bht031820.php

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Letto: 333 volta/e Ultima modifica Domenica, 12 Aprile 2020 08:45
Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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