La prima immagine di Sgr A*, il buco nero al centro della Via Lattea!

Quella che state vedendo è un’immagine storica, epocale: la seconda immagine nella storia dell’ombra di un buco nero e del suo disco di accrescimento, e la primissima del buco nero supermassiccio che vive al centro della nostra galassia!

Da almeno tre decenni sappiamo che nel cuore della Via Lattea c’è un buco nero, e da oggi ne abbiamo la prima prova diretta e per la prima volta possiamo vedere il suo aspetto!

L’immagine è stata ottenuta tramite algoritmi estremamente complessi che hanno combinato moltissime immagini in banda radio raccolta dalla collaborazione EHT nel 2017.

Cos’è EHT

Event Horizon Telescope è grande collaborazione internazionale nata con l’ambizioso obiettivo di produrre le primissime immagini dell’ambiente immediatamente circostante un buco nero. Questo consente non solo di testare la teoria della relatività generale di Einstein, ma soprattutto di indagare alcuni aspetti di questi mostri cosmici tuttora poco conosciuti, in particolare le dinamiche di accrescimento dei buchi neri e la produzione di getti che è associata all’attività dei buchi neri.

I due target principali della collaborazione EHT sono i buchi neri supermassicci centrali della galassia M87 e della nostra Via Lattea. Questi oggetti vivono in regioni molto ricche di polveri, pertanto è necessario osservarli tramite onde radio, che possono attraversare senza problemi strati anche molto spessi di polveri. Fortunatamente, i dischi di accrescimento attorno ai buchi neri attivi emettono grandi quantità di onde radio. Questo è dovuto all’interazione tra le particelle cariche che compongono il plasma in caduta nel buco nero e gli intensi campi magnetici associati al buco nero stesso.

Per questo motivo il progetto EHT coinvolge una rete di radiotelescopi disseminati per il globo, dall’Europa al Sudamerica, dagli Stati Uniti all’Antartide, dalle Hawaii al Messico, fino alla Groenlandia, che osservano in banda radio a una lunghezza d’onda di 1,3 mm.

Come funziona

Perché tanti telescopi, e perché così distanti? Perché in questo modo è possibile sfruttare una tecnica chiamata VLBI (Very Long Baseline Interferometry), grazie alla quale vengono combinati i dati dei vari telescopi per ottenere immagini con una risoluzione impossibile da ottenere con un singolo strumento.

Gli osservatori di EHT lavorano in coppia, ciascuno con ogni altro osservatorio. Le coppie osservano la stessa sorgente e ricevono le onde radio con un leggerissimo ritardo l’una dall’altra (si parla di milionesimi di secondo). La misura di questo ritardo, unita alla distanza tra i due siti di osservazione, fornisce informazioni spaziali sulla sorgente osservata. In particolare, più è grande la distanza tra i due osservatori più è piccola la scala spaziale a cui si ottengono informazioni. Coppie diverse, trovandosi a distanze diverse, riescono a raccogliere informazioni sulla sorgente osservata relative a scale spaziali diverse.

È un po’ come cercare di ricostruire una canzone a partire da quello che registrano vari microfoni, ciascuno dei quali però sa registrare solo una particolare frequenza (cioè una particolare nota). Ci vogliono algoritmi estremamente complessi, soprattutto se i microfoni non sono molti come in questo caso. Ma si può fare, ed è proprio quello a cui il team di EHT sta lavorando duramente da una quindicina d’anni.

La tecnica dell’interferometria è così potente perché consente di raggiungere per l’intero sistema interformetrico un potere risolutivo equivalente a quello di un unico telescopio grande come la distanza tra i vari osservatori. Ecco perché EHT usa osservatori lontanissimi: lo scopo è simulare un radiotelescopio grande quanto il nostro pianeta! In questo modo è possibile raggiungere un potere risolutivo sconvolgente: 35 microarcosecondi.

Cos’è un microarcosecondo? Dividendo la volta celeste in 360 parti uguali avete i gradi. Dividendo un grado in 60 parti uguali avete i primi d’arco; dividendo un primo in 60 parti uguali ottenete i secondi d’arco. Un microarcosecondo è un milionesimo di secondo d’arco. È la dimensione angolare di una lenticchia (2 mm) sulla Luna, osservata dalla Terra (a 384.000 km di distanza). O la dimensione di un capello umano a Parigi, guardandolo da New York.

Il cuore pulsante della Via Lattea

Sin dall’inizio il progetto EHT si è proposto di produrre la prima immagine di Sagittarius A*, o Sgr A*, il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. È decisamente più piccolo rispetto al suo omologo in M87: poco più di 4 milioni di masse solari in una sfera di raggio 22 milioni di km.

Sgr A* fu individuato inizialmente come sorgente radio compatta nei primi anni ’50. Nel decennio successivo si scoprì che è situato proprio al centro della Via Lattea. Nel 1971 si cominciò a parlare di Sgr A* come di un gigantesco buco nero. La conferma arrivò dopo gli anni ’90, con lo studio dell’orbita di alcune stelle vicine. Questo lavoro valse ad Andrea Ghez e Reinhard Genzel il premio Nobel per la fisica nel 2020.

Una delle stelle studiate da Ghez e Genzel si chiama S2. In un periodo di circa 16 anni, S2 orbita attorno a una massa praticamente invisibile che, calcolata tramite le leggi di Keplero, è 4 milioni di volte quella del Sole. Lo stesso si riscontra anche per altre stelle vicine.

Osservando la stessa regione in banda radio troviamo una sorgente luminosa e molto compatta. Qualcosa di così massiccio e al contempo di dimensioni così ridotte non può essere che un buco nero.

Finora la collaborazione non era riuscita a osservare con successo Sgr A* perché l’immagine cambiava troppo rapidamente per ottenere un risultato nitido. Per questo l’«opera prima» di EHT non è stato il centro della nostra galassia ma un altro buco nero supermassiccio: quello al centro della galassia M87.

La prima galassia di EHT

M87 è la galassia ellittica gigante più massiccia dell’universo locale: la sola materia visibile è il doppio della massa della Via Lattea, e includendo la materia oscura si pensa che questo valore possa salire anche a 200 volte. M87 si trova a 53,5 milioni di anni luce di distanza, al centro dell’Ammasso della Vergine, una collezione di circa 2000 galassie che si trova a sua volta circa al centro di una vasta collezione di gruppi e ammassi, il Superammasso della Vergine, di cui anche noi facciamo parte. La si può considerare un po’ come se fosse la capitale della nostra regione di universo.

La galassia ospita al suo centro il buco nero più massiccio a noi noto nell’universo locale: 6 miliardi di volte più massiccio del nostro Sole. Il diametro del suo orizzonte degli eventi, la sfera di oscurità da cui nulla può uscire, è il doppio di quello dell’orbita di Nettuno.

Ed è attivo: in questa foto di Hubble del nucleo della galassia, vediamo un getto blu quasi spettrale prorompere dalle regioni più interne. I dati indicano che il disco attorno a questo Gargantua sia ampio 0,4 anni luce (25.000 volte la distanza Terra-Sole) e ruoti a oltre 1.000 km/s. Ogni giorno, 91 masse terrestri di materia cadono nel buco nero (una massa solare ogni 10 anni), per non essere mai più viste. La lunghezza del getto in questa immagine è di 5.000 anni luce, ma le sue regioni più esterne si estendono fino a 250.000 anni luce di distanza dal centro.

Negli anni ruggenti della sua formazione il tasso di crescita era migliaia di volte superiore, e doveva essere migliaia di volte più luminoso: in pratica, osserviamo il fossile di quello che probabilmente fu un quasar.

La prima immagine di un buco nero

Il 10 aprile 2019 la collaborazione EHT pubblicò la primissima immagine del disco di accrescimento attorno a un buco nero. Proprio lui: il buco nero supermassiccio al centro di M87.

La macchia nera al centro non è propriamente l’orizzonte degli eventi del buco nero (il cosiddetto “raggio di Schwarzschild”): il raggio della macchia è 2,6 volte maggiore, perché tutta la luce che si trova a meno di 2,6 raggi di Schwarzschild è inesorabilmente deviata verso l’orizzonte degli eventi: la luce laggiù c’è, ma semplicemente non può arrivare a noi.

L’anello che osserviamo è invece il disco di accrescimento attorno al buco nero. Questo disco inizia a 3 raggi di Schwarzchild dalla singolarità centrale, perché qui c’è l’ultima orbita stabile per la materia: tutto ciò che ha massa e passa più vicino di questa distanza viene deviato verso l’orizzonte degli eventi. Il disco ci appare come se lo vedessimo dall’alto per via della pesantissima distorsione della luce in prossimità del buco nero, che diffonde in tutte le direzioni la luminosità del disco, facendocelo sembrare un cerchio anche se in realtà ha una certa inclinazione rispetto a noi.

E poi c’è il fatto che la parte “bassa” dell’anello ci appare più luminosa. Questa è una “illusione ottica” dovuta alla relatività di Einstein, che amplifica la luce proveniente dalla porzione di disco che si muove verso di noi e viceversa indebolisce la luce che proviene dalla porzione in allontanamento.

La difficoltà tecnica di quest’impresa, come di quella odierna, ha dell’incredibile. I telescopi producevano 350 terabyte di dati al giorno. Per realizzare questa immagine sono occorsi 6 metri cubi di hard disk!