di Rocco Lico – Istituto di Radioastronomia (IRA-INAF)

Ma perché i buchi neri ci affascinano e incuriosiscono così tanto? I buchi neri sono oggetti così incredibilmente massivi da deformare lo spazio-tempo in modo estremo; per questo sono metaforicamente descritti come “buchi”. La loro forza gravitazionale è talmente intensa che persino la luce non può sfuggire dalle loro profondità, da qui il nome di “neri”. Il confine oltre il quale nessuna informazione può più raggiungere un osservatore esterno è chiamato orizzonte degli eventi. Una soglia che segna il punto di non ritorno dell’universo visibile. Come si potrebbe non rimanerne affascinati?
Non tutti i buchi neri sono uguali però. Alcuni hanno masse enormi e crescono nel cuore delle galassie, divorando gas e stelle per miliardi di anni. Questi colossi cosmici, con masse milioni o miliardi di volte superiori a quella del Sole, sono chiamati buchi neri supermassicci (SMBH, dall’inglese supermassive black holes). Tutte le galassie massicce, compresa la nostra, ne ospitano uno al loro centro. E questi SMBH non sono solo spettatori: influenzano la formazione delle stelle, la distribuzione del gas e perfino l’evoluzione dell’intera galassia.

La nostra stessa galassia, la Via Lattea, custodisce un SMBH nel suo cuore oscuro a circa 27.000 anni luce da noi, in direzione della costellazione del Sagittario. Il suo nome è Sagittarius A* (SgrA*) e ha una massa di circa 4,3 milioni di Soli. La sua esistenza è stata inizialmente dedotta in modo indiretto, grazie agli effetti gravitazionali che produce sulle stelle circostanti. Le misure precise della posizione e della velocità di diverse stelle su orbite prossime al centro galattico possono infatti essere spiegate solo assumendo la presenza di un SMBH. Nel 2022, è arrivata la prima prova diretta dell’esistenza di SgrA* con la prima immagine su scala dell’orizzonte degli eventi realizzata dalla collaborazione internazionale Event Horizon Telescope (EHT).
Questo risultato ha richiesto l’utilizzo di una rete di radiotelescopi sparsi in tutto il mondo – dalle Ande cilene alle Hawaii, fino all’Antartide – che attraverso la cosiddetta tecnica dell’interferometria su lunghissima base (VLBI, dall’inglese Very Long Baseline Interferometry) ha consentito di simulare un telescopio virtuale grande quanto la Terra. Ho avuto il privilegio di partecipare in prima persona a questo progetto e a tutte le fasi di ricostruzione dell’immagine: è stato uno dei viaggi più affascinanti all’interno delle sfide scientifiche e tecnologiche più avanzate dell’astrofisica moderna. È davvero sbalorditivo osservare quali traguardi gli esseri umani possano realizzare quando collaborano in perfetta sinergia.

Una “Foto” un po’ sfocata…

L’immagine sembra un po’ mossa e si distingue chiaramente una regione centrale più scura circondata da un’emissione anulare brillante e asimmetrica formata dai fotoni che, a causa della gravità estrema, seguono orbite circolari instabili, compiendo più giri attorno al buco nero prima di essere inghiottiti o di sfuggire verso l’esterno. La regione centrale più scura non rappresenta il buco nero stesso, ma la sua “ombra”, proiettata dall’orizzonte degli eventi, il cui diametro è circa 2,5 volte quello dell’orizzonte degli eventi e ci fornisce una stima della massa del buco nero, stabilendo così la scala fisica dello spazio-tempo circostante
La dimensione dell’ombra misurata di SgrA* è di circa 60 milioni di chilometri, un’estensione che rientrerebbe entro l’orbita di Mercurio, il pianeta più interno del Sistema Solare. Facendo un rapido calcolo ci rendiamo subito conto che la luce impiega pochi minuti per fare un giro completo attorno a SgrA*. Ciò implica che, nel corso delle osservazioni EHT, che durano diverse ore, SgrA* cambia configurazione in modo continuo, su scale temporali di pochi minuti. In pratica, era come cercare di fotografare un soggetto in continuo movimento. A complicare ulteriormente la sfida si aggiunge il fatto che SgrA* si trova a circa 27000 anni luce di distanza dalla Terra. E come se non bastasse, lungo questo percorso, la radiazione attraversa il plasma interstellare che diffonde e devia parzialmente il segnale, alterandone l’aspetto apparente. Tutto ciò rende la ricostruzione dell’immagine un processo estremamente complesso, e spiega perché la “fotografia” finale possa apparire leggermente sfocata.

Una Questione di variabilità

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Ma come si può ottenere un’immagine statica di un oggetto che cambia continuamente aspetto? Innanzitutto, la variabilità presente nei dati osservativi non è interamente dovuta alla sorgente: una parte di essa deriva dalle fluttuazioni strumentali dei diversi radiotelescopi utilizzati. Per caratterizzare e distinguere la variabilità intrinseca di SgrA* da quella introdotta dagli strumenti, abbiamo utilizzato due sorgenti compatte e brillanti, note come NRAO530 e J1924−2914, di cui conosciamo bene sia la morfologia sia le caratteristiche di variabilità. Analizzando il loro comportamento, abbiamo potuto modellare le fluttuazioni strumentali di ciascun telescopio e successivamente sottrarle dai dati di SgrA*. In questa modo, siamo sicuri che la variabilità residua sia effettivamente intrinseca alla sorgente. Questa fase, che è stata il primo passo del complesso processo di ricostruzione dell’immagine di SgrA*, ha richiesto diversi mesi di lavoro ed è stato e il contributo di un team dedicato che ho avuto il piacere di guidare.
Per tenere conto della variabilità residua nella produzione dell’immagine “statica”, abbiamo poi adottato due approcci indipendenti. Il primo, detto full-track imaging, consiste nello scomporre l’intero set di dati in una componente media, da cui si ricava un’immagine “media”, e una componente residua variabile nel tempo, che viene modellata rispetto all’immagine di riferimento. Il secondo, noto come snapshot imaging, suddivide invece il dataset in numerosi segmenti temporali di breve durata, in ciascuno dei quali la sorgente può essere considerata statica. Viene quindi generata un’immagine per ogni segmento, e infine si ottiene l’immagine finale mediando le ricostruzioni su tutti segmenti.
Entrambi gli approcci sono stati applicati utilizzando diversi algoritmi indipendenti, ciascuno con una serie di parametri specifici. Ho coordinato uno dei gruppi coinvolti in questa fase, producendo milioni di immagini attraverso varie combinazioni di algoritmi e parametri, utilizzando supercomputer distribuiti tra Europa e Stati Uniti. Pur semplificando qui molti aspetti tecnici, il concetto fondamentale che voglio trasmettere è che l’immagine di SgrA* non rappresenta una singola ricostruzione, bensì la media di milioni di immagini, frutto di un’elaborazione complessa che condensa in un’unica visione la dinamicità di un oggetto in costante evoluzione.

Un Gigante Buono

Nell’immaginario collettivo, il buco nero è spesso visto come un “aspirapolvere cosmico” che inghiotte tutto ciò che gli si avvicina, un po’ come “dove passa Attila non cresce più l’erba”. In realtà, le cose sono molto diverse. SgrA*, per esempio, pur avendo una massa di oltre quattro milioni di soli, è sorprendentemente “tranquillo”. Le simulazioni numeriche basate sulle più recenti osservazioni di EHT indicano che accresce materia a un ritmo di circa 10⁻⁹ masse solari all’anno: in altre parole, impiegherebbe un miliardo di anni per accumulare una quantità di materia pari alla massa del nostro Sole. Tradotto in termini più quotidiani, allo stesso ritmo un essere umano impiegherebbe più di un miliardo di anni per mangiare una singola mandorla.
Va però ricordato che questo è il tasso di accrescimento che osserviamo oggi o, più precisamente, com’era 27000 anni fa, il tempo che la luce impiega per raggiungerci dal centro della Galassia. Esistono tuttavia evidenze osservative che indicano come in passato SgrA* sia stato molto più attivo, con tassi di accrescimento decisamente superiori. Questi risultati forniscono indizi preziosi sui diversi scenari di formazione dei buchi neri supermassicci, che includono il collasso diretto di nubi di gas o di stelle molto massicce nell’universo primordiale, la fusione di più buchi neri o lunghi periodi di accrescimento sostenuto. Ma questa, come spesso accade in astrofisica, è un’altra storia, e meriterebbe un articolo a parte.

Luce dalle Tenebre

Paradossalmente, pur essendo “invisibili”, i buchi neri illuminano l’universo come se fossero dei fari cosmici. In realtà la radiazione che vediamo non proviene dall’interno dell’orizzonte degli eventi, ma è il materiale che cade verso il buco nero che si riscalda fino a miliardi di gradi, emettendo radiazione in tutte le bande dello spettro, dai raggi gamma alle onde radio.
In alcune galassie attive, come M87, di cui la collaborazione EHT ha prodotto la prima immagine in assoluto su scala dell’orizzonte degli eventi nel 2019, il buco nero lancia potenti getti di plasma relativistico che si estendono per migliaia di anni luce. Questi fenomeni sono tra le manifestazioni più energetiche dell’universo e rappresentano veri e propri laboratori naturali per studiare la fisica estrema. Ma come si formano esattamente questi colossali getti di materia ed energia? Le osservazioni e le simulazioni numeriche indicano che la loro origine è strettamente legata ai campi magnetici che permeano il gas in accrescimento. Il plasma caldo e ionizzato nel disco che circonda il buco nero genera intensi campi magnetici che, in particolari condizioni, riescono a canalizzare parte dell’energia rotazionale del buco nero o del disco stesso in due flussi opposti, proiettati lungo l’asse di rotazione. Questi flussi vengono accelerati fino a velocità prossime a quella della luce, dando origine ai cosiddetti getti relativistici.
Il materiale all’interno dei getti è estremamente energetico: gli elettroni relativistici seguono un percorso lungo le linee del campo magnetico producendo radiazione che spazia dalle onde radio fino ai raggi X, un processo noto come emissione di sincrotrone. In molti casi, i fotoni generati in questo modo possono subire un ulteriore incremento di energia urtando contro elettroni ad altissima velocità, che trasferiscono loro parte della propria energia cinetica. Questo meccanismo, detto Compton inverso, spiega le intense emissioni di raggi gamma osservate in numerose galassie attive.
La potenza di questi getti è tale da superare la luminosità combinata di tutte le stelle della galassia ospite. Quando impattano sul gas circostante, i getti possono depositare energia, riscaldare il mezzo interstellare e perfino regolare la formazione stellare: un delicato equilibrio cosmico tra distruzione e creazione. Comprendere nei dettagli i meccanismi che danno origine ai getti relativistici, e il modo in cui riescono a mantenere la loro struttura collimata e stabile per centinaia di migliaia di anni luce, rappresenta ancora oggi una delle grandi sfide dell’astrofisica moderna.
Di recente, la collaborazione EHT ha pubblicato una nuova immagine di M87* ottenuta durante la campagna osservativa del 2021. L’analisi ha rivelato una marcata variabilità nella struttura del campo magnetico rispetto alle immagini del 2017 e del 2018, oltre a segnali dell’emissione estesa del getto in prossimità della sua base, direttamente collegata all’anello luminoso che circonda il buco nero. E proprio per cercare di rispondere a questi grandi interrogativi sui getti relativistici, la collaborazione EHT sta preparando per la primavera del 2026 una campagna osservativa multi-epoca di M87 e del suo getto. L’obiettivo è realizzare una vera e propria sequenza temporale, un “film” che seguirà l’evoluzione del sistema nell’arco di circa due mesi, permettendoci di osservare in tempo reale i processi fisici che avvengono nelle regioni più estreme dell’universo.
Intanto, ogni nuova osservazione ad alta risoluzione aggiunge un tassello a questo intricato e affascinante enigma cosmico.

Luce dalle Tenebre

Studiare un buco nero significa esplorare i limiti della conoscenza. Lì, dove la gravità raggiunge la sua massima intensità e la curvatura dello spazio-tempo diventa estrema, la fisica classica si arresta e deve lasciare il posto a qualcosa di nuovo. Forse un giorno riusciremo a unire la relatività e la meccanica quantistica, e il mistero dei buchi neri sarà la chiave per comprendere la natura ultima dell’universo.
Fino ad allora, continueremo a guardare oltre l’orizzonte: il film dei buchi neri sta per iniziare.

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Instituto de Astrofísica de Andalucía

L’Istituto de Astrofisica de Andalucía (IAA) è uno dei centri di ricerca spagnoli appartenente al Consejo Superior de Investigación Científica (CSIC). La sua missione è approfondire la conoscenza del cosmo e renderlo fruibile dalla società tutta, mediante ricerche all’avanguardia nel campo dell’Astrofisica e delle Scienze dello spazio, la promozione dello sviluppo tecnologico, con la costruzione di nuovi strumenti, e la diffusione dei risultati scientifici presso la comunità scientifica ed il grande pubblico, con attività di comunicazione e divulgazione.
L’IAA-CSIC, fondato nel 1975, si è affermato come centro di riferimento nazionale e internazionale per la ricerca in Astrofisica, essendo oggi uno dei più grandi centri di ricerca del CSIC con più di 250 membri. Per la sua produzione scientifica, è il secondo centro spagnolo nel campo dell’Astrofisica e il settimo tra i centri CSIC di tutte le aree di ricerca.
Le linee di ricerca dell’IAA coprono tutti i principali ambiti dell’astrofisica moderna, dalla gravità quantistica al sistema solare, passando per l’evoluzione delle galassie, la cosmologia, le componenti della nostra Galassia ed i pianeti extrasolari. L’attività dell’IAA si basa sui tre pilastri fondamentali dell’Astrofisica moderna: l’osservazione dei fenomeni celesti con mezzi più sofisticati, lo sviluppo di nuova strumentazione, lo studio teorico e l’implementazione di simulazioni numeriche.

L’articolo è pubblicato in COELUM 277 VERSIONE CARTACEA