L'immagine di un buco nero ha un anello luminoso di emissione che circonda un 'ombra' proiettata dal buco nero. Questo anello è composto da una pila di sottoanelli sempre più affilati che corrispondono al numero di orbite che i fotoni hanno assunto attorno al buco nero prima di raggiungere l'osservatore. Credits: George Wong (UIUC) e Michael Johnson (CfA)

Into: una sottostruttura di anelli

Lo scorso aprile, l’Event Horizon Telescope (EHT) ha suscitato entusiasmo internazionale quando ha svelato la prima immagine di un buco nero. Un team di ricercatori ha pubblicato nuovi calcoli che prevedono una sottostruttura sorprendente e complessa all’interno delle immagini del buco nero, dall’estrema curvatura della luce gravitazionale. 

L’immagine di un buco nero in realtà contiene una serie nidificata di anelli“, spiega Michael Johnson del Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian (CfA). “Ogni anello successivo ha circa lo stesso diametro ma diventa sempre più nitido perché la sua luce ha orbitato più volte attorno al buco nero prima di raggiungere l’osservatore. Con l’attuale immagine EHT, abbiamo intravisto solo la piena complessità che dovrebbe emergere nell’immagine di qualsiasi buco nero“.

Poiché i buchi neri intrappolano tutti i fotoni che attraversano il loro orizzonte degli eventi, proiettano “un’ombra” sulla loro luminosa emissione circostante dovuta al gas caldo in caduta. Un “anello di fotoni” circonda questa ombra, prodotta dalla luce che è concentrata dalla forte gravità vicino al buco nero. Questo anello di fotoni porta l’impronta digitale del buco nero: le sue dimensioni e la forma codificano la massa e la rotazione o “spin” del buco nero. Con le immagini EHT, i ricercatori del buco nero hanno un nuovo strumento per studiare questi oggetti straordinari.

Questo è un momento estremamente emozionante per pensare alla fisica dei buchi neri“, afferma Daniel Kapec, membro della School of Natural Sciences presso l’Institute for Advanced Study. “La teoria della relatività generale di Einstein fa una serie di previsioni sorprendenti per i tipi di osservazioni che finalmente stanno arrivando a portata di mano, e penso che possiamo aspettarci molti progressi nei prossimi anni. Come teorico, trovo la rapida convergenza tra teoria ed esperimento particolarmente gratificanti, e spero che possiamo continuare a isolare e osservare previsioni più universali della relatività generale man mano che questi esperimenti diventano più sensibili“.

Il gruppo di ricerca comprendeva astronomi, fisici teorici e astrofisici. “Riunire esperti di diversi settori ci ha permesso di collegare davvero una comprensione teorica dell’anello fotonico a ciò che è possibile con l’osservazione“, osserva George Wong, dott. in fisica all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign. 

Wong ha sviluppato un software per produrre immagini simulate del buco nero a risoluzioni più elevate di quelle precedentemente calcolate e per scomporle nella serie prevista di immagini secondarie. “Ciò che è iniziato come i classici calcoli su carta e matita ci ha spinto a spingere le nostre simulazioni a nuovi limiti“.

Video

Centro di astrofisica | Harvard & Smithsonian.

I buchi neri proiettano un’ombra sull’immagine del materiale circostante luminoso perché il loro forte campo gravitazionale può piegare e intrappolare la luce. L’ombra è delimitata da un luminoso anello di luce, corrispondente ai fotoni che passano vicino al buco nero prima di fuggire. 

L’anello è in realtà una pila di sottoanelli sempre più nitide, e l’ennesimo sottoanello corrisponde ai fotoni che hanno orbitato attornoa al buco nero n/2 volte prima di raggiungere l’osservatore. Questa animazione mostra come si forma un’immagine di buco nero da queste subring e dalle traiettorie dei fotoni che creano l’immagine.

Nuove possibilità di osservazione

I ricercatori hanno anche scoperto che la sottostruttura dell’immagine del buco nero crea nuove possibilità per osservare i buchi neri. “Ciò che ci ha davvero sorpreso è stato il fatto che mentre i sottoanelli nidificati sono quasi impercettibili ad occhio nudo sulle immagini – anche immagini perfette – per gli array di telescopi chiamati interferometri sono segnali forti e chiari“, afferma Johnson. “Mentre l’acquisizione di immagini di buchi neri richiede normalmente molti telescopi distribuiti, i sottoanelli sono perfetti per studiare usando solo due telescopi molto distanti tra loro. Aggiungere un telescopio spaziale all’EHT sarebbe sufficiente“. 

La fisica del buco nero è sempre stata una bella materia con profonde implicazioni teoriche, ma ora è diventata anche una scienza sperimentale“, afferma Alex Lupsasca della Harvard Society of Fellows. “Come teorico, sono felice di raccogliere finalmente dati reali su questi oggetti a cui abbiamo pensato astrattamente da così tanto tempo“.

Credits

Oltre a quelli sopra elencati, il team di ricerca comprendeva Andrew Strominger, Shahar Hadar, Ramesh Narayan, Andrew Chael, Charles Gammie, Peter Galison, Daniel Palumbo, Sheperd Doeleman, Lindy Blackburn, Maciek Wielgus, Dominic Pesce, Joseph Farah e James Moran.

Questa ricerca è stata supportata da sovvenzioni della National Science Foundation, del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, della Gordon and Betty Moore Foundation, della John Templeton Foundation, della Jacob Goldfield Foundation e della NASA.

Una versione del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian è disponibile qui .

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