Le immagini, mai viste prima d'ora, di un buco nero: è lo straordinario successo scientifico di un gruppo di scienziati internazionali.
Il progetto, Event Horizon Telescope, riunisce una rete di telescopi sparsi su tutta la Terra che vuole raggiungere la risoluzione necessaria a "fotografare" l'orizzonte degli eventi di uno dei buchi neri più vicini alla Terra.
Il consorzio di scienziati per anni ha lavorato all'impresa e i risultati segneranno una pietra miliare nell'astrofisica, e conferma alcune delle principali teorie che sono alla base della nostra comprensione del cosmo, compresa la teoria della relatività di Albert Einstein.
I buchi neri si formano quando le stelle muoiono, collassano su se stesse e creano una regione dove la forza di gravità è così forte che nulla (stelle, pianeti, gas, polvere e persino luce) può sfuggire e invece viene risucchiato per sempre.
Sono di varie dimensioni ed estremamente densi. Gli scienziati non siano mai stati in grado di fotografare i buchi neri, ma sono riusciti ad ascoltarli: quando i buchi neri si scontrano l'un con l'altro, rilasciano infatti enormi onde gravitazionali che sono state rilevate da telescopi e interferometri negli osservatori negli Stati Uniti e anche in Italia.
Le foto dei buchi neri invece finoi a ora non erano state fatte per una serie di motivi. Uno è che la loro attrazione gravitazionale rende impossibile la fuga della luce. Non solo: i buchi neri si trovano anche molto lontano dalla Terra. Date queste difficoltà, ciò che gli scienziati stanno cercando di catturare è il cosiddetto "orizzonte degli eventi", il confine di un buco nero e il punto di non ritorno oltre il quale tutto viene risucchiato per sempre.
Sebbene sia uno dei luoghi più violenti dell'universo, gli scienziati credono che i radiotelescopi possano catturare l'orizzonte degli eventi e dare la possibilità di osservare ciò che lo circonda.
I buchi neri interessati erano due: il primo è Sagittario A* e si trova a 25.000 anni luce di distanza dalla Terra nel mezzo della Via Lattea. Circondato da gas luminoso e materiale vorticoso, il Sagittario A* ha una massa equivalente a 4,1 milioni di soli.
Il secondo buco nero, M87, dista 55 milioni di anni luce dalla Terra ed e' situato in una galassia vicina chiamata Vergine A. Si stima che peserà più di 6,5 miliardi di soli. Ed è quello fotografato
Per cinque giorni ad aprile di due anni fa, il progetto Event Horizon Telescope ha puntato otto radiotelescopi situati in varie città del mondo verso il Sagittario A*; messi insieme, gli otto telescopi hanno creato "un telescopio virtuale di dimensioni terrestre".
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Ciascuno dei telescopi ha raccolto una serie di dati che gli scienziati hanno sperato di sincronizzare e combinare insieme per rivelare l'immagine. I dati sono stati inviati negli Stati Uniti e in Germania, dove sono stati elaborati da computer. Oltre a mostrare l'immagine, gli scienziati sperano di fare chiarezza su alcuni dei temi più dibattuti in astronomia e fisica teorica.
"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.
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. 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 promette di essere un punto non di arrivo ma di partenza nella strada per la comprensione del nostro Universo.
