Event Horizon Telescope: il fotografo di buchi neri

Non ho mai immaginato che questo buco nero fosse grande quanto si diceva, fino a quando non abbiamo visto… questo.

Professor Heino Falcke.

Potrei dire che la aspettavo da giorni, quando è stata annunciata la conferenza stampa; sarebbe più corretto dire che la aspettavo da parecchi mesi, quando venni a conoscenza del progetto. Ma la verità assoluta è che la aspettavo da anni, da quando mi sono imbattuto per la prima volta in questi oggetti misteriosissimi, i buchi neri. E onestamente, non mi sarei mai aspettato di poterla vedere con i miei occhi: sto parlando della prima fotografia di un buco nero, quello al centro della galassia M87. E sto parlando di un buco nero vero: per quanto affascinante e realistico, il buco nero di Interstellar, Gargantua, non conta.

Simulazione del buco nero Gargantua, del film Interstellar, con tutti gli effetti relativistici. Fonte Oliver James et al 2015 Class. Quantum Grav. 32 065001

Ma cominciamo dall’inizio: nel 1915, Albert Einstein pubblica la sua teoria della Relatività Generale, secondo la quale lo spazio smette di essere un contenitore passivo di tutto quello che accade, e diventa partecipante attivo, deformandosi in presenza di materia. Nel 1916, Karl Schwarzschild, mentre si trova al fronte durante la Grande Guerra, prende la teoria di Einstein e ne ricava una soluzione, quella più semplice: trova come lo spazio curva in presenza di una palla massiccia, quella che i fisici scherzosamente chiamano “mucca sferica nel vuoto”. Perché di fatto non ci importa quale sia la vera natura dell’oggetto, l’importante è che sia sferico e nel vuoto. E nell’Universo conosciamo numerosi oggetti di questo tipo: satelliti, stelle, pianeti… E tutti curvano lo spazio che li circonda in egual modo, influenzando tutto ciò che gli sta attorno; i corpi e la luce saranno quindi costretti a deviare seguendo la curvatura dello spazio.

Rappresentazione grafica della curvatura dello spaziotempo generata da corpi massicci. (Fonte: LIGO)

Andando a osservare più nel dettaglio la soluzione di Schwarzschild, però, ci si accorge di qualcosa di molto curioso: se un corpo fosse molto massiccio e compatto oltre un certo limite, questo sarebbe tale che un oggetto sulla sua superficie, per poter sfuggire alla gravita del corpo, dovrebbe essere più veloce della luce. E come sappiamo, niente è più veloce della luce: sarebbe come se lo spazio stesso si chiudesse sul corpo massiccio, e in queste condizioni nulla riuscirebbe a sfuggire, tutto rimarrebbe confinato in questa regione, come se fosse finito in un buco. Nemmeno la luce potrebbe evadere da questa regione, e se qualcosa non emette luce, questo qualcosa ci apparirà nero. Non a caso, questa regione è stata chiamata “buco nero”.

Inizialmente si pensava che fosse frutto di qualche strano scherzo della matematica, e a pensarlo c’era persino lo stesso Einstein. Ci sono voluti circa 50 anni per dimostrare che un oggetto sottoposto alla sola propria gravità, senza che nulla riesca a contrastarla, collasserà su se stesso, e diventerà talmente compatto da diventare un buco nero. La superficie di spazio che racchiude un buco nero è detta orizzonte degli eventi, e qualunque cosa entri all’interno dell’orizzonte degli eventi sarà costretta a rimanere nel buco nero per sempre.

Quando diciamo che un buco nero è compatto, intendiamo che è davvero molto compatto: un buco nero pesante come la Terra avrebbe un orizzonte degli eventi con un diametro di meno di 2 centimetri; e se è vero che più è pesante un buco nero, più questi è grande, se un buco nero avesse la stessa massa del Sole avrebbe un diametro di soli 6 chilometri.

I buchi neri, quindi, sono piccoli e neri. E dato che l’Universo è anch’esso particolarmente oscuro, capite subito quanto sia difficile vederne uno. Certo, se un buco nero si muovesse davanti a uno sfondo luminoso, sarebbe un po’ più facile vederlo: vedremmo un cerchio nero che distorce la luce proveniente dallo sfondo. Ma come potete immaginare non ci sono molti sfondi luminosi nello spazio aperto, e quindi poter osservare un buco nero che gli passasse davanti sarebbe un evento più unico che raro.

Animazione che mostra il moto delle stelle attorno al candidato buco nero Sgr A*. Il simbolo a forma di stella rappresenta la posizione di Sgr A*

Ma anche se è quasi impossibile vederne uno, sappiamo che esistono: per esempio, i segnali di onde gravitazionali che abbiamo misurato negli ultimi anni sono un’ottima indicazione del fatto che i buchi neri esistano. Inoltre, nel cuore della nostra galassia, c’è un oggetto particolare, chiamato Sgr A (che sta per Sagittarius A): andando ad osservare il centro della Via Lattea, infatti, possiamo notare un gruppo di stelle che orbitano su traiettorie regolari attorno a un punto nel quale sembra non esserci nulla. E misurando le traiettorie di queste stelle, possiamo stimare la massa dell’oggetto presente in questo punto: oltre 4 milioni di volte la massa del nostro Sole. Se fosse un buco nero, avrebbe un diametro di 25 milioni di chilometri, decisamente più grande di qualunque altro oggetto presente nel nostro Sistema Solare! Ma come ci dice l’esperienza comune, per essere in grado di vedere un oggetto (di “risolvere” un oggetto, come si dice in astronomia), l’oggetto deve essere abbastanza grande e abbastanza vicino. Nel caso di Sgr A* si sta parlando di una distanza di oltre 25000 anni luce. Per darvi un’idea, è un po’ come se cercassimo di guardare la pupilla di un’altra persona posta a 10000 chilometri di distanza da noi. Che se ci pensate, anche la pupilla di un occhio, a modo suo, è un buco nero.

Giusto per alternare buone e cattive notizie, sappiamo che Sgr A* è circondato da gas incandescente. Questo gas incandescente emette radiazione, ed è quindi una parte visibile attorno al buco nero, un po’ come l’iride attorno alla pupilla dell’occhio, che potremmo anche osservare: basterebbe usare un telescopio che sia sensibile alla giusta lunghezza d’onda. Ma il telescopio di cui avremmo bisogno dovrebbe essere estremamente potente, e nessuno dei telescopi che abbiamo mai costruito è in grado di risolvere un dettaglio così piccolo ad una distanza così grande. Per esserne in grado, avremmo bisogno di un telescopio grande quanto tutta la Terra. E ovviamente non ce l’abbiamo.

Fotografia della galassia M87, che ospita il buco nero fotografato da EHT

Provare ad osservare altri buchi neri, allora? Magari qualcuno più vicino, o molto più grande. In fondo, ormai si ritiene che al centro di quasi ogni galassia risieda un buco nero supermassiccio, con masse di milioni o miliardi di volte quella del nostro Sole, e dimensioni dell’ordine di milioni o miliardi di chilometri. Facciamo allora la conoscenza di un’altra galassia, M87. Questa galassia si trova a quasi 55 milioni di anni luce di distanza, duemila volte più distante di Sgr A*. Ma sappiamo che il candidato buco nero al centro di M87 ha una massa pari a quella di 6-7 miliardi di volte quella del Sole, quasi duemila volte più grande di Sgr A! È come dire che se potessimo vedere M87 (il buco nero di M87) e Sgr A* nel cielo, questi avrebbero all’incirca le stesse dimensioni apparenti, un po’ come il Sole e la Luna (ma estremamente più piccoli). E purtroppo, non conosciamo altri buchi neri che, nel cielo, potrebbero apparire più grandi di questi due.

Non abbiamo alternative, quindi, abbiamo bisogno di un antenna radio grande quanto la Terra per poter osservare direttamente un buco nero. E non ce l’abbiamo… Giusto?

Con un solo telescopio a disposizione, l’immagine più piccola che possiamo risolvere è limitata dalla dimensione del telescopio: più è grande il telescopio, maggiore è la risoluzione che possiamo raggiungere. Ma se osservassimo lo stesso oggetto con due telescopi? Beh, potremmo avere due immagini diverse dello stesso oggetto, oppure combinare opportunamente i dati provenienti dai due telescopi con una tecnica dal nome altisonante: Interferometria a Base Molto Ampia, o in inglese Very Large Baseline Interferometry, VLBI.

Quando i due telescopi, che nel nostro caso sono antenne radio, osservano la stessa sorgente, il segnale proveniente dalla sorgente arriverà a un’antenna prima che all’altra; sfruttando questo ritardo nei segnali, si può guadagnare in risoluzione, e quello che si ottiene è che la risoluzione dell’immagine risultante non dipenderà più dalla dimensione delle singole antenne, ma dalla loro distanza reciproca. Quindi, combinando più antenne su tutta la superficie terrestre possiamo di fatto creare un telescopio grande quanto la Terra, e quindi abbastanza potente da risolvere Sgr A*! Questo ambito progetto ha avuto inizio nel 2006, sotto il nome di Event Horizon Telescope, letteralmente telescopio dell’orizzonte degli eventi.

Mappa delle posizioni dei siti osservativi facenti parte del progetto EHT – Event Horizon Telescope

Event Horizon Telescope, però, non funziona esattamente come una macchina fotografica: non basta scattare la fotografia per averla. Non si può scattare una foto da ciascun’antenna e poi metterle insieme, no: i dati provenienti da tutti i siti osservativi vanno elaborati insieme allo stesso tempo, altrimenti si perde il vantaggio dell’Interferometria. Per fare ciò, sono stati elaborati petabyte di dati (“peta” è mille volte il “tera”, che è a sua volta mille volte il “giga”), e per poterli trasferire non si può fare affidamento sulla rete internet: bisogna trasportare tutti questi dati fisicamente, con l’aiuto di hard disk.

Il primo obiettivo di EHT è stato M87*. Le prese dati (le osservazioni vere e proprie) sono durate soli 4 giorni: 5, 6, 10 e 11 aprile 2017. Ma l’elaborazione dei dati ha richiesto mesi e mesi di lavoro. Ora abbiamo modo di osservare il candidato buco nero al centro di M87, e la fotografia risultante sarà un’ulteriore prova a cui potremo sottoporre la teoria della Relatività Generale di Einstein. E cosa ci mostra questa foto?

La prima foto di un buco nero, M87*, il buco nero supermassiccio al centro della galassia M87

Vediamo un anello incandescente, che circonda una regione oscura. La parte luminosa dell’immagine è del gas che, si può concludere dalla foto, sta ruotando: infatti, si vede nettamente che metà dell’anello è più luminosa dell’altra metà. Questo perché, mentre ruota, il gas avrà delle parti che si muoveranno verso di noi, mentre altre si allontaneranno da noi. Quelle che si muovono verso di noi le vedremo emettere una luce più intensa, mentre quelle che si allontanano le vedremo emettere una luce più fioca. È un effetto relativistico noto come beaming (l’avevo già accennato qui). Al centro dell’immagine si vede un disco oscuro, ed eccolo lì: quello è il buco nero. O meglio, quella è la sua “ombra”, come viene definita. È la regione che, non emettendo luce, è riconoscibile come il buco nero. Da quello che possiamo osservare, inoltre, questo buco nero è perfettamente compatibile con la teoria di Einstein. Chissà che il caro Albert non stia sogghignando sotto i baffi, mentre fa la linguaccia a Stephen Hawking, che nel 1977 aveva scommesso con Kip Thorne che i buchi neri non esistessero.

Cosa ci attende in futuro? La missione di Event Horizon Telescope non finisce qui: il prossimo obiettivo sarà il buco nero al centro della nostra galassia, proprio Sgr A*. E dopo ancora? Beh, ci saranno nuove foto, sia di M87*, per studiarne la variabilità, ma anche a risoluzione più alta, visto che nuove antenne si stanno aggiungendo a EHT. E magari, nuovi buchi neri. Tutto questo, per andare a indagare sempre più direttamente questi oggetti misteriosi, e per andare a mettere sempre più alla prova la relatività generale, che trova nei buchi neri un arduo avversario. Infatti, i buchi neri sono oggetti al limite tra la relatività generale e la meccanica quantistica, ma sappiamo che queste due teorie non si possono unire a formare una teoria di gravità quantistica… Abbiamo bisogno di qualcosa di diverso, e a quanto pare Einstein potrebbe non essere la soluzione.

Ma una cosa è certa: per parafrasare John Locke nella serie Lost, abbiamo guardato nell’occhio di una galassia, e quello che abbiamo visto è stato bellissimo. Non fermiamoci qua: abbiamo visto che la scienza, quando non si dà contro per partito preso, può produrre cose magnifiche. Continuiamo a guardare il cielo stellato sopra di noi, con la stessa meraviglia che il genere umano ha da millenni. Continuiamo a sognare. Continuiamo, insieme.

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