La collaborazione dell’Event Horizon Telescope (EHT), un progetto internazionale con una forte partecipazione dell’Istituto di Astrofisica dell’Andalusia (IAA-CSIC), ha presentato una nuova immagine di M87*, il buco nero supermassiccio situato al centro della galassia Messier 87, sulla base dell’analisi delle osservazioni effettuate nell’aprile 2018. Queste osservazioni, che includono la partecipazione del Greenland Telescope per la prima volta alla rete globale EHT, forniscono un set di dati indipendente sui dipendenti nel 2017.
Pubblicata sulla rivista Astronomy & Astrophysics, questa nuova analisi rivela un anello luminoso di dimensioni identiche a quelle osservate nel 2017 attorno a una regione centrale oscura, che corrisponde all’ombra proiettata dal buco nero, in linea con le previsioni della teoria generale relatività di Albert Einstein. Tuttavia, in questa nuova immagine, la regione più luminosa dell’anello ha subito uno spostamento di circa 30 gradi rispetto al 2017, in accordo con i modelli teorici che descrivono la variabilità del materiale turbolento che circonda i buchi neri.
“Un requisito fondamentale della scienza è essere in grado di riprodurre i risultati”, afferma Keiichi Asada, ricercatore associato presso l’Istituto di Astronomia e Astrofisica Academia Sinica di Taiwan, “e la conferma dell’anello in una serie di dati completamente nuovi è una pietra miliare enorme per la nostra collaborazione e una forte indicazione che stiamo osservando l’ombra di un buco nero e il materiale che orbita attorno ad esso”.
Nel 2019, l’EHT ha pubblicato la storica prima immagine di un buco nero: M87*, un buco nero supermassiccio situato al centro della galassia Messier 87, a 55 milioni di anni luce di distanza. Grazie alle osservazioni combinate effettuate nel corso del 2017 da una rete globale di radiotelescopi che funzionano come un telescopio virtuale delle dimensioni della Terra, è stata ottenuta l’immagine di un anello circolare luminoso, più luminoso nella sua parte meridionale. Successive analisi della sua struttura in luce polarizzata hanno permesso di determinare la geometria del campo magnetico e la natura del plasma che circonda il buco nero.
José Luis Gómez, vicepresidente del Consiglio scientifico dell’EHT e leader del gruppo EHT presso l’IAA-CSIC: “Ottenere l’immagine diretta di M87* ha segnato una nuova tappa nello studio dei buchi neri, consentendo test sempre più precisi della teoria della relatività generale basati su molteplici osservazioni astronomiche”.
“I nostri modelli teorici assicurano che le proprietà del materiale che circonda M87* non dovrebbero essere correlate tra il 2017 e il 2018. Pertanto, le osservazioni continue di M87* ci aiuteranno a stabilire vincoli indipendenti sulla struttura del plasma e sul campo magnetico attorno al buco nero, e ci permetterà di distinguere la complessa astrofisica degli effetti della relatività generale”, aggiunge Gómez.
Il nuovo telescopio della Groenlandia
Per contribuire a questa nuova entusiasmante scienza, l’EHT è in costante sviluppo. Il Greenland Telescope si è unito all’EHT per la prima volta nel 2018, appena cinque mesi dopo il completamento della sua costruzione nel circolo polare artico. Allo stesso modo, il radiotelescopio Large Millimeter Telescope (LMT) ha partecipato per la prima volta con la sua superficie totale di 50 metri, migliorando notevolmente la sua sensibilità. Inoltre, le osservazioni sono state estese a quattro bande di frequenza intorno a 230 GHz, rispetto alle due bande utilizzate nel 2017.
“Il progresso della scienza implica un miglioramento costante della qualità dei dati e delle tecniche di analisi”, sottolinea Rohan Dahale, ricercatore pre-dottorato presso l’IAA-CSIC, che ha contribuito essenzialmente ai nuovi risultati dell’EHT.
“L’integrazione del Greenland Telescope nella rete EHT è stata essenziale per perfezionare le nostre immagini di M87* nel 2018”, spiega. “Altri miglioramenti significativi che ci ispirano a continuare a spingerci oltre i confini dell’astrofisica dei buchi neri”.
Coerenza con la relatività generale
L’immagine di M87* scattata nel 2018 è notevolmente simile a quella del 2017: un anello luminoso di identiche dimensioni e larghezza, con una regione centrale scura e un lato dell’anello più luminoso dell’altro. Precisamente, uno dei risultati più notevoli di questa nuova immagine di M87* è la stabilità del diametro del suo anello rispetto ai dati del 2017, che supporta fortemente la conclusione che il buco nero di M87 è ben descritto dalla teoria della relatività generale.
Nitika Yadlapalli Yurk, ricercatrice post-dottorato presso l’Università di Los Angeles. Jet Propulsion Laboratory in California (USA) e dottore del California Institute of Technology: “Il raggio di un buco nero dipende solo dalla sua massa. Poiché M87* non accumula materiale (il che ne aumenterebbe la massa) ad un ritmo elevato, la relatività generale prevede che il suo raggio dovrebbe rimanere praticamente invariato su scala temporale umana, come confermato dai nostri dati”.
Sebbene la dimensione dell’ombra del buco nero sia rimasta costante tra il 2017 e il 2018, la posizione della regione più luminosa dell’anello ha subito un cambiamento significativo nei nuovi dati del 2018, spostandosi di circa 30 gradi in senso antiorario per trovarsi nella parte inferiore destra dell’anello, approssimativamente alla posizione delle cinque.
Britt Jeter, ricercatrice post-dottorato presso l’Istituto Academia Sinica per l’astronomia e l’astrofisica di Taiwan: “Questo notevole cambiamento nella struttura di M87* è qualcosa che avevamo già anticipato nei primi risultati pubblicati nell’aprile 2019”.
“Sebbene la teoria della relatività generale richieda che la dimensione dell’anello rimanga stabile, l’emissione dal caotico e turbolento disco di accrescimento che circonda il buco nero fa sì che la regione più luminosa dell’anello oscilli da un lato all’altro. L’ampiezza osservata di questa oscillazione o oscillazione nel tempo servirà a testare le nostre teorie sul campo magnetico e sull’ambiente del plasma attorno al buco nero”.
Nuovi strumenti di analisi
L’analisi dei dati del 2018 incorpora otto tecniche di imaging e modellazione indipendenti, inclusi sia i metodi utilizzati nella precedente analisi di M87* nel 2017, sia nuovi sviluppati dall’esperienza maturata dall’analisi di Sgr A*, il buco nero situato al centro della Via Lattea.
Kotaro Moriyama, uno dei coordinatori dell’EHT Image Working Group: “La robustezza dell’immagine ottenuta è significativamente rafforzata grazie alla diversità delle tecniche di ricostruzione e modellazione dell’immagine utilizzate. La coerenza nella morfologia dell’immagine, dimostrata dai cinque metodi di mappatura e dai tre metodi di modellazione, rafforza significativamente l’affidabilità dei nostri risultati”.
“È particolarmente degno di nota il fatto che i membri dell’IAA-CSIC abbiano fornito contributi chiave a questa pietra miliare, guidando o co-guidando i processi di imaging con quattro delle cinque diverse tecniche di imaging”, aggiunge Moriyama.
Un progetto in continua espansione
Oltre al 2017 e al 2018, l’EHT ha effettuato osservazioni di M87* nel 2021 e nel 2022, e prevede di osservare nella prima metà del 2024. Ogni anno, la rete EHT è migliorata tecnicamente, sia con l’aggiunta di nuovi telescopi , miglioramenti hardware o aggiunta di ulteriori frequenze di osservazione.
Antxon Alberdi, membro della Collaborazione EHT e direttore di questo istituto: “Le osservazioni fatte dall’EHT implicano un contributo sostanziale alla comprensione della fisica dei buchi neri. L’espansione dell’EHT migliorerà la qualità delle immagini. In questo senso, l’IAA e altri partner stanno studiando la possibile incorporazione nell’EHT rete di una nuova antenna radio nelle Isole Canarie. La ricerca con l’EHT è una parte fondamentale del progetto strategico Severo Ochoa dell’IAA-CSIC”.
La collaborazione EHT coinvolge più di 300 ricercatori provenienti da Africa, Asia, Europa, Nord e Sud America. Questo sforzo internazionale mira a catturare immagini di buchi neri con un livello di dettaglio senza precedenti, creando un telescopio virtuale delle dimensioni della Terra. Sostenuto da considerevoli investimenti internazionali, l’EHT collega i telescopi esistenti utilizzando sistemi innovativi, dando vita a uno strumento completamente nuovo con il più alto potere di risoluzione angolare mai raggiunto.
Una rete globale di telescopi
I telescopi coinvolti nell’EHT sono ALMA, APEX, l’IRAM 30-meter Telescope, l’IRAM NOEMA Observatory, il James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), il Large Millimeter Telescope (LMT), il Submillimeter Array (SMA), il Submillimeter Telescope (SMT), il telescopio del Polo Sud (SPT), il telescopio Kitt Peak e il telescopio della Groenlandia (GLT). I dati sono stati correlati al Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) e all’Osservatorio Haystack del MIT. La successiva elaborazione è stata effettuata nell’ambito della collaborazione di un team internazionale in diverse istituzioni, con una partecipazione di primo piano dell’IAA.
Del consorzio EHT fanno parte tredici istituzioni interessate, oltre a numerosi altri istituti di ricerca nel mondo, tra cui l’IAA-CSIC: l’Istituto di Astronomia e Astrofisica dell’Accademia Sinica, l’Università dell’Arizona, l’Università di Chicago, l’Osservatorio Asiatico Orientale, Università Goethe di Francoforte, Istituto di radioastronomia millimetrica, Grande telescopio millimetrico, Istituto Max Planck di radioastronomia, Osservatorio MIT Haystack, Osservatorio astronomico nazionale del Giappone, Istituto perimetrale di fisica teorica, Università Radboud e Osservatorio astrofisico Smithsonian.