I Buchi neri esistono e uno è vicino a noi al centro della Via Lattea

Sagittario A*: i telescopi della NASA supportano il telescopio Event Horizon nello studio del buco nero della Via Lattea
Questo grafico mostra i dati a raggi X di Chandra raffiguranti il ​​gas caldo che è stato soffiato via dal Sagittario A* (Sgr A*).
Il pannello principale di questo grafico contiene dati a raggi X di Chandra (blu) raffiguranti gas caldo che è stato spazzato via da stelle massicce vicino al buco nero. Due immagini di luce infrarossa a diverse lunghezze d’onda dal telescopio spaziale Hubble della NASA mostrano stelle (arancione) e gas freddo (viola). Queste immagini sono larghe sette anni luce alla distanza di Sgr A*. Un pull-out mostra la nuova immagine EHT, che misura solo circa 1,8 x 10 -5 anni luce (0,000018 anni luce, o circa 10 minuti luce). (Credito: raggi X: NASA/CXC/SAO; IR: NASA/HST/STScI. Riquadro: Radio (Collaborazione EHT))
Mentre l’Event Horizon Telescope raccoglieva dati per la sua nuova straordinaria immagine del buco nero supermassiccio della Via Lattea , una legione di altri telescopi tra cui tre osservatori di raggi X della NASA nello spazio stava osservando anche.
Gli astronomi stanno usando queste osservazioni per saperne di più su come il buco nero al centro della Via Lattea – noto come Sagittario A * (Sgr A* in breve) – interagisce e si nutre del suo ambiente a circa 27.000 anni luce dalla Terra .
Quando l’Event Horizon Telescope (EHT) ha osservato Sgr A* nell’aprile 2017 per realizzare la nuova immagine, gli scienziati della collaborazione hanno anche osservato lo stesso buco nero con strutture che rilevano diverse lunghezze d’onda della luce. In questa campagna di osservazione a più lunghezze d’onda, hanno assemblato dati a raggi X dall’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, dal Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) e dall’Osservatorio Neil Gehrels Swift; dati radio dalla rete VLBI (Very Long-Baseline Interferometer) dell’Asia orientale e dall’array VLBI globale da 3 millimetri; e dati a infrarossi dal Very Large Telescope dell’European Southern Observatory in Cile.
“L’Event Horizon Telescope ha catturato un’altra straordinaria immagine, questa volta del gigantesco buco nero al centro della nostra galassia natale”, ha affermato l’amministratore della NASA Bill Nelson. “Guardare in modo più completo a questo buco nero ci aiuterà a saperne di più sui suoi effetti cosmici sul suo ambiente ed esemplifica la collaborazione internazionale che ci porterà nel futuro e rivelerà scoperte che non avremmo mai potuto immaginare”.
Un obiettivo importante era catturare i bagliori di raggi X, che si pensa siano guidati da processi magnetici simili a quelli visti sul Sole, ma possono essere decine di milioni di volte più potenti. Questi bagliori si verificano approssimativamente ogni giorno all’interno dell’area di cielo osservata dall’EHT, una regione leggermente più grande dell’orizzonte degli eventi di Sgr A*, il punto di non ritorno per la materia che cade verso l’interno. Un altro obiettivo era quello di ottenere uno sguardo critico su ciò che sta accadendo su scala più ampia. Mentre il risultato EHT mostra sorprendenti somiglianze tra Sgr A* e il precedente buco nero che ha ripreso, M87*, il quadro più ampio è molto più complesso.
“Se la nuova immagine EHT ci mostra l’occhio di un uragano di un buco nero, allora queste osservazioni multilunghezza d’onda rivelano venti e piogge equivalenti a centinaia o addirittura migliaia di miglia al di là”, ha detto Daryl Haggard della McGill University di Montreal, Canada, che è uno dei principali scienziati della campagna multiwavelength. “In che modo questa tempesta cosmica interagisce e addirittura interrompe il suo ambiente galattico?”
Una delle più grandi domande in corso sui buchi neri è esattamente come raccolgono, ingeriscono o addirittura espellono il materiale in orbita attorno a loro a velocità prossime alla luce, in un processo noto come “accrescimento”. Questo processo è fondamentale per la formazione e la crescita di pianeti, stelle e buchi neri di tutte le dimensioni, in tutto l’universo.
Le immagini di Chandra del gas caldo intorno a Sgr A* sono cruciali per gli studi sull’accrescimento perché ci dicono quanto materiale viene catturato dalle stelle vicine dalla gravità del buco nero, e quanto riesce ad avvicinarsi all’orizzonte degli eventi. Queste informazioni critiche non sono disponibili con gli attuali telescopi per nessun altro buco nero nell’universo, incluso M87*.
“Gli astronomi possono in gran parte essere d’accordo sulle basi: che i buchi neri hanno materiale che vortica intorno a loro e parte di esso cade per sempre nell’orizzonte degli eventi”, ha affermato Sera Markoff dell’Università di Amsterdam nei Paesi Bassi, un altro coordinatore delle osservazioni a più lunghezze d’onda. “Con tutti i dati che abbiamo raccolto per Sgr A* possiamo andare molto oltre questo quadro di base”.
Gli scienziati della grande collaborazione internazionale hanno confrontato i dati delle missioni ad alta energia della NASA e degli altri telescopi con modelli computazionali all’avanguardia che tengono conto di fattori come la teoria della relatività generale di Einstein, gli effetti dei campi magnetici e le previsioni di quanta radiazione dovrebbe generare il materiale attorno al buco nero a diverse lunghezze d’onda.
Il confronto dei modelli con le misurazioni suggerisce che il campo magnetico attorno al buco nero è forte e che l’angolo tra la linea di vista del buco nero e il suo asse di rotazione è basso, inferiore a circa 30 gradi. Se confermato, ciò significa che dal nostro punto di vista stiamo guardando dall’alto Sgr A* e il suo anello più che lateralmente, sorprendentemente simile al primo obiettivo di EHT M87*.
“Nessuno dei nostri modelli corrisponde perfettamente ai dati, ma ora abbiamo informazioni più specifiche su cui lavorare”, ha affermato Kazuhiro Hada del National Astronomical Observatory of Japan. “Più dati abbiamo, più accurati diventeranno i nostri modelli e, in definitiva, la nostra comprensione dell’accrescimento dei buchi neri”.
I ricercatori sono anche riusciti a catturare i bagliori di raggi X – o esplosioni – da Sgr A* durante le osservazioni EHT: uno debole visto con Chandra e Swift e uno moderatamente luminoso visto con Chandra e NuSTAR. Con Chandra si osservano regolarmente bagliori di raggi X con una luminosità simile a quest’ultimo, ma questa è la prima volta che l’EHT osserva contemporaneamente Sgr A*, offrendo una straordinaria opportunità di identificare il meccanismo responsabile utilizzando immagini reali.
L’intensità e la variabilità delle onde millimetriche osservate con EHT aumenta nelle poche ore immediatamente successive al bagliore di raggi X più luminoso, un fenomeno non osservato nelle osservazioni millimetriche pochi giorni prima. L’analisi e l’interpretazione dei dati EHT immediatamente successivi al bagliore saranno riportate in pubblicazioni future.
I risultati del team EHT verranno pubblicati il ​​12 maggio in un numero speciale di The Astrophysical Journal Letters . I risultati multilunghezza d’ onda sono principalmente descritti negli articoli II e V.
Il Marshall Space Flight Center della NASA gestisce il programma Chandra. Il Chandra X-ray Center dello Smithsonian Astrophysical Observatory controlla le operazioni scientifiche da Cambridge, Massachusetts, e le operazioni di volo da Burlington, Massachusetts.
Goddard gestisce la missione Swift in collaborazione con Penn State, il Los Alamos National Laboratory nel New Mexico e Northrop Grumman Space Systems a Dulles, in Virginia. Altri partner includono l’Università di Leicester e il Mullard Space Science Laboratory nel Regno Unito, l’Osservatorio di Brera in Italia e l’Agenzia Spaziale Italiana.
Il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California gestisce NuSTAR per la direzione della missione scientifica della NASA a Washington. I partner e i contributori della missione includono la Danish Technical University (DTU), l’Agenzia spaziale italiana (ASI), la Columbia University, il Goddard Space Flight Center della NASA, Orbital Sciences Corp., l’Università della California, Berkeley e l’High Energy Astrophysics Science Archive Research della NASA Centro.
Maggiori informazioni dall’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA.
Per altre immagini Chandra, contenuti multimediali e materiali correlati, visita: http://www.nasa.gov/chandra
Ultimo aggiornamento: 12 maggio 2022
Editore: Lee Mohon
Fonte: NASA
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Comunicato stampa INAF
UN RISULTATO STRAORDINARIO», DICE LA MINISTRA MARIA CRISTINA MESSA
Ecco il buco nero al centro della nostra galassia
Attesissima da anni, è stata presentata oggi al mondo la prima “fotografia” dell’ombra di Sagittarius A*, il “nostro” buco nero, quello che alberga nel cuore della Via Lattea. A firmare l’immagine è anche questa volta l’Event Horizon Telescope, collaborazione internazionale della quale fanno parte ricercatrici e ricercatori dell’Inaf, dell’Infn, dell’Università Federico II di Napoli e dell’Università di Cagliari
Svelata oggi la prima immagine del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, la Via Lattea. Questo risultato è una prova schiacciante che questo oggetto è a tutti gli effetti un buco nero e fornisce indizi importanti per comprendere il comportamento di questi corpi che si ritiene risiedano al centro della maggior parte delle galassie. A ottenere questa immagine, grazie a una rete globale di radiotelescopi, la Collaborazione Event Horizon Telescope (Eht), un team internazionale di cui fanno parte anche ricercatrici e ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica, dell’Istituto nazionale di fisica nucleare, dell’Università Federico II di Napoli e dell’Università di Cagliari
L’attesissima immagine mostra finalmente l’oggetto massiccio che si cela al centro della nostra galassia. Già in passato gli scienziati avevano scoperto stelle che si muovevano intorno a un corpo invisibile, compatto e molto massiccio al centro della Via Lattea. Quelle osservazioni suggerivano che l’oggetto in questione, chiamato Sagittarius A* (Sgr A*), fosse un buco nero, e l’immagine resa pubblica oggi fornisce la prima prova visiva diretta a sostegno di questa ipotesi.
Anche se non possiamo vedere il buco nero stesso, perché non emette luce, il gas che brilla attorno a esso possiede un aspetto distintivo: una regione centrale scura (chiamata “ombra” del buco nero) circondata da una struttura brillante a forma di anello. La nuova immagine cattura la luce distorta dalla potente gravità del buco nero, che ha una massa pari a quattro milioni di volte quella del Sole.
«Siamo rimasti sbalorditi da quanto le dimensioni dell’anello siano in accordo con le previsioni della teoria della relatività generale di Einstein», commenta Geoffrey Bower, Eht project scientist all’Academia Sinica di Taipei, Taiwan e alla University of Hawaiʻi at Mānoa, negli Stati Uniti. I risultati sono descritti in una serie di articoli pubblicati oggi su un numero speciale della rivista The Astrophysical Journal Letters.
«È uno straordinario risultato della cui portata riusciremo a renderci conto davvero solo con il tempo», dice la ministra dell’Università e della Ricerca Maria Cristina Messa. «Complimenti al grande e globale gruppo di lavoro che ha consentito di raggiungerlo e, all’interno di questo, alle scienziate e agli scienziati italiani. Questa scoperta dimostra come le reti collaborative di ricerca internazionale siano fondamentali per il progresso di tutti, di come sia importante per l’Italia farne parte investendo, in modo continuo e stabile negli anni, in grandi infrastrutture di ricerca e di dati, per rafforzarle e implementarle sempre di più, e di come si debba fare uno sforzo per preservare queste reti anche in momenti di crisi. Questo risultato ci ricorda anche che non si deve avere sempre fretta di raggiungere in pochissimo tempo un determinato risultato: la ricerca ha i suoi tempi e a questi dobbiamo avere la pazienza di adattarci, consapevoli che ne varrà sempre la pena».
Il buco nero, che si trova a circa 27mila anni-luce dalla Terra in direzione della costellazione del Sagittario, appare nel cielo con una dimensione pari a quella che avrebbe una ciambella sulla Luna. Per realizzarne l’immagine, il team ha creato il potente Eht mettendo insieme otto osservatori radio-astronomici in tutto il mondo per creare un unico telescopio virtuale dalle dimensioni del pianeta Terra. Eht ha osservato Sgr A* per diverse notti nell’aprile 2017, raccogliendo dati per molte ore di seguito, in modo simile a quando si effettua un’esposizione lunga con una macchina fotografica.
Cruciale per raggiungere questo risultato è stato il contributo di Alma, l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, il più potente radiotelescopio esistente, che dal deserto di Atacama, in Cile, scruta il cosmo in banda radio a lunghezze d’onda millimetriche e submillimetriche. L’Italia partecipa ad Alma attraverso l’Eso, lo European Southern Observatory, e ospita il nodo italiano del Centro regionale europeo Alma presso la sede dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) di Bologna.
La scoperta arriva dopo la prima immagine di un buco nero, quello al centro della galassia lontana M87, resa pubblica dalla Collaborazione Eht nel 2019. I due buchi neri appaiono straordinariamente simili, anche se quello nel cuore della nostra galassia è oltre mille volte più piccolo e meno massiccio rispetto a quello di M87. «Abbiamo due tipi completamente diversi di galassie e due buchi neri con masse molto diverse, ma vicino al bordo di questi buchi neri, l’aspetto è sorprendentemente simile», dice Sera Markoff, professoressa di astrofisica teorica all’Università di Amsterdam, Paesi Bassi, e co-chair del Consiglio scientifico di Eht. «Questo ci dice che la relatività generale governa questi oggetti da vicino, e qualsiasi differenza vediamo in regioni più lontane deve essere dovuta a differenze nel materiale che circonda i buchi neri».
«Le osservazioni forniscono ulteriore supporto al fatto che lo spaziotempo nell’intorno dei buchi neri è descritto da soluzioni della relatività generale, indipendentemente dalla loro massa», commenta Mariafelicia De Laurentis, professoressa di astrofisica all’Università Federico II di Napoli e ricercatrice all’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), deputy project scientist, membro del Consiglio scientifico e coordinatrice del gruppo di Gravitational Physics di Eht, che ha guidato il paper sui test della gravità. «Gli studi sul centro galattico hanno consentito negli anni di eseguire molti test di verifica della relatività generale, ma il risultato presentato oggi è senza precedenti perché permette molte misure originali sulla gravità e di fare nuova scienza sui buchi neri supermassicci e sul loro ruolo nell’evoluzione dell’universo: abbiamo aperto le porte di un nuovo straordinario laboratorio».
Ottenere il nuovo risultato è stato molto più difficile rispetto al precedente, anche se Sgr A* è molto più vicino a noi. Il team ha dovuto sviluppare nuovi sofisticati strumenti di analisi dati per tener conto del moto del gas intorno a Sgr A*, che impiega pochi minuti a completare un’orbita attorno a questo buco nero. Il buco nero al centro della galassia M87 è molto più grande e il gas, che si muove alla stessa velocità (prossima a quella della luce) attorno a entrambi i buchi neri, impiega giorni o addirittura settimane per orbitare intorno ad esso: era dunque un target più stabile e quasi tutte le immagini avevano lo stesso aspetto. Non è accaduto lo stesso per Sgr A*. L’immagine del buco nero al centro della nostra galassia è una media delle diverse immagini estratte dal team, svelando finalmente questo oggetto per la prima volta.
«La variabilità è uno degli aspetti critici di Sgr A*: se da un lato rappresenta una grande sfida per la produzione di immagini del centro galattico, dall’altro ci fornisce uno strumento fondamentale per l’indagine dei processi fisici che vi hanno luogo», commenta Nicola Marchili, ricercatore Inaf e secondo autore di uno degli official papers, che ha lavorato all’analisi dei dati sulla variabilità temporale del buco nero. «La variabilità stimata dai dati Eht è molto inferiore a quanto atteso in base alla maggior parte dei modelli teorici correnti e pone quindi vincoli stringenti alle proprietà fisiche del buco nero», aggiunge Marchili, che lavora presso il Centro regionale europeo Alma a Bologna insieme alle ricercatrici Inaf Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl, anch’esse parte della Collaborazione Eht, all’interno della quale si occupano principalmente della calibrazione dei dati.
Ricercatori e ricercatrici sono entusiasti di avere finalmente le immagini di due buchi neri di dimensioni diverse: un’opportunità per comprenderne le somiglianze e differenze. Hanno anche iniziato a usare i nuovi dati per mettere alla prova la teoria e i modelli che descrivono il comportamento del gas intorno ai buchi neri supermassicci – un processo ancora non del tutto compreso ma ritenuto chiave nella formazione ed evoluzione delle galassie nell’universo.
«Oltre a sviluppare nuovi strumenti per realizzare l’immagine di Sgr A*, il team ha prodotto milioni di immagini con diverse combinazioni di parametri per i vari algoritmi di imaging, usando grandi infrastrutture di calcolo», aggiunge Rocco Lico, associato Inaf e ricercatore all’Instituto de Astrofísica de Andalucía, in Spagna, co-leader di uno dei gruppi che si occupa di analisi dati nell’Imaging working group e Information-technology officer della Collaborazione Eht. «In questo processo, è stata anche compilata una biblioteca senza precedenti di buchi neri simulati da confrontare con le osservazioni».
Questo risultato è il frutto del lavoro di oltre 300 ricercatori e ricercatrici di 80 istituti in tutto il mondo che insieme formano la Collaborazione Eht.
«Ottenere questa immagine è sempre stato il nostro obiettivo sin dall’inizio del progetto e poterla rivelare al mondo oggi ci ripaga di tanti anni di duro lavoro», conclude Ciriaco Goddi, docente all’Università di Cagliari, associato Inaf e Infn, che fa parte di questa impresa sin dal 2014 come coordinatore del gruppo europeo di BlackHoleCam, uno dei progetti da cui ha avuto origine la Collaborazione Eht. «La rete Eht è in continua espansione e oggetto di importanti aggiornamenti tecnologici: così potremo avere immagini ancora più impressionanti e addirittura filmati di buchi neri nel prossimo futuro».
Il lavoro di Eht, infatti, non si ferma: lo scorso marzo è stata condotta una nuova campagna di osservazione che include tre nuovi radiotelescopi.