Spazio, buco nero "fotografato" per la prima volta

Un anello rossastro "sfocato" al centro della galassia M87 con una massa sei miliardi e mezzo di volte più grande del nostro Sole: appare così la prima immagine in assoluto di un buco nero. "Quella che abbiamo visto è l'ombra di un buco nero", ha spiegato Luciano Rezzolla, direttore dell'Istituto di Fisica Teorica di Francoforte. La rivelazione, nata dalle intuizioni di Einstein, apre un nuovo affascinante capitolo dell'astrofisica.

E' la prima prova visiva diretta di un buco nero e della sua ombra. Si tratta dell'immagine dell'orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio, con una massa equivalente a 6,5 miliardi di masse solari, che si trova a 55 milioni di anni luce dalla Terra, al centro della galassia Messier 87. A "scattare" la storica fotografia sono stati gli scienziati della collaborazione internazionale Eht, Event Horizon Telescope, cui partecipano ricercatrici dell'Istituto nazionale di fisica nucleare, e dell'Istituto nazionale di astrofisica.

Eht è una rete distribuita su tutta la Terra, composta di un insieme di radiotelescopi che lavorano in modo coordinato così da costituire un unico strumento di dimensioni globali con sensibilità e risoluzione senza precedenti. Progettato proprio allo scopo di catturare l'immagine di un buco nero, oggi la collaborazione Eht presenta il coronamento del suo principale obiettivo scientifico.

Pubblicato in sei articoli in un numero speciale della rivista Astrophysical Journal Letters, il risultato è stato annunciato contemporaneamente in sei conferenze stampa. A Bruxelles lo hanno documentato il Consiglio Europeo della Ricerca e il progetto Event Horizon Telescope, alla presenza del Commissario Europeo per la Ricerca, la Scienza e l'Innovazione Carlos Moedas; le altre cinque conferenze stampa sono state organizzate a Santiago del Cile, Shanghai, Tokyo, Taipei e Washington.

"Questo straordinario risultato - spiega Mariafelicia De Laurentis, ricercatrice dell'Infn e professore di astrofisica all'Università Federico II di Napoli, che come membro della collaborazione Eht ha coordinato il gruppo di analisi teorica dell'esperimento - non solo ci regala la prima immagine di un buco nero, ma ci fornisce anche una prova diretta della presenza di buchi neri supermassicci al centro delle galassie e del motore centrale dei nuclei galattici attivi".

"Queste osservazioni - prosegue De Laurentis - vengono ora a costituire un nuovo strumento di indagine per esplorare la gravità nel suo limite estremo e su una scala di massa che finora non era stata accessibile". "Dal punto di vista concettuale, il risultato rappresenterà uno strumento formidabile per studiare, confermare o escludere le varie teorie relativistiche della gravitazione formulate a partire dalla teoria della Relatività generale di Albert Einstein", conclude De Laurentis.

La caratteristica principale che definisce un buco nero è l'esistenza del cosiddetto "orizzonte degli eventi", che costituisce il limite causalmente connesso dello spaziotempo, cioè quella regione da cui non possiamo ricevere informazioni e da cui né la materia né la radiazione possono sfuggire. Appena fuori dall'orizzonte degli eventi, c'è una regione in cui i fotoni seguono orbite instabili.

La dimensione e la forma precise di questa "regione di fotoni" dipendono dalle proprietà dinamiche e morfologiche del buco nero. In accordo con la Relatività generale, se immerso in questa zona luminosa, un buco nero crea una regione oscura simile a un'ombra: pertanto, dall'osservazione diretta di un buco nero, ci si aspetta di vedere la sua ombra come manifestazione dell'ultima regione dello spaziotempo in cui i fotoni e le altre particelle vanno a cadere. Quest'ombra, causata dalla deflessione gravitazionale e dalla cattura della luce dall'orizzonte degli eventi, ci fornisce le caratteristiche dinamiche e morfologiche di questi oggetti astrofisici. Il fenomeno non era mai stato osservato prima.

Per "catturare" l'immagine Eht ha impiegato la tecnica dell'interferometria radio a lunga distanza, che osserva a una lunghezza d'onda di 1,3 mm, corrispondente a una frequenza di circa 230 GHz. Questo ha consentito di ricostruire le immagini in scala dell'orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio. La sorgente radio compatta centrale è stata risolta come un anello di emissione luminoso asimmetrico, di forma quasi circolare e che racchiude una regione centrale oscura, l'ombra del buco nero, appunto. L'anello di emissione, il cui diametro e ampiezza sono rimasti stabili nel corso di quattro indipendenti osservazioni condotte in giorni diversi, è stato ricostruito utilizzando differenti schemi di calibrazione e di imaging.

L'asimmetria nella luminosità dell'anello può essere spiegata in termini di radiazione relativistica dell'emissione di un plasma che ruota quasi alla velocità della luce attorno al buco nero. Una volta "catturata" l'ombra del buco nero, è stato possibile confrontare le osservazioni con modelli computazionali di precisione che tengono conto della fisica dello spazio deformato, della materia surriscaldata e dei forti campi magnetici presenti. Le caratteristiche dell'immagine osservata corrispondono esattamente alle previsioni teoriche.

L'immagine è, dunque, coerente con le previsioni dell'ombra di un cosiddetto buco nero di Kerr, ossia quel che resta di una stella massiva, in accordo con la Relatività generale, e gli scienziati hanno potuto calcolare anche che il buco nero osservato ha una massa centrale di 6,5 miliardi di masse solari.