Il premio Nobel e la prima immagine dei buchi neri

Probabilmente avrete sentito la notizia della prima immagine di un buco nero pubblicata da uno scienziato. L'immagine è stata una notizia straordinaria non solo per il campo dell'astronomia, ma anche per il mondo intero. Questa immagine è stata il primo passo verso una nuova porta di informazioni. L'universo si sta illuminando ogni volta di più con nuove informazioni e grazie a ciò siamo in grado di comprendere meglio tutti i misteri al di là del nostro pianeta.

Di recente abbiamo assistito all'assegnazione del Premio Nobel 2020 a dodici vincitori, ognuno dei quali ha contribuito in modo straordinario all'umanità con le proprie ricerche e scoperte. Sono tutti ricercatori straordinari e ci piacerebbe parlare di ognuno di loro in questa sede, ma oggi per una migliore spiegazione e comprensione del contesto della prima immagine del buco nero parleremo del lavoro dei vincitori del Premio Nobel per la Fisica Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez.

Secondo il sito ufficiale del Premio Nobel, i premiati sono stati riconosciuti "per la scoperta che la formazione dei buchi neri è una robusta previsione della teoria generale della relatività" e "per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia". Penrose, attraverso impressionanti metodi matematici, ha dimostrato che i buchi neri sono collegati alla teoria della relatività di Einstein, mentre i lavori di Reinhard Genzel e Andrea Ghez hanno trovato prove inconfutabili dell'esistenza di un buco nero al centro della nostra galassia Via Lattea, oggi nota con il nome di Sagittarius A*.

Per comprendere appieno il tema, è necessario conoscere alcuni concetti di base sui buchi neri, come "Che cos'è un buco nero?"; "Come sono fatti? Dove possiamo trovarne uno?".

La prima cosa da sapere è un concetto molto utilizzato in molti argomenti di astronomia, ovvero la nozione di spaziotempo. Lo spaziotempo è un manifesto a quattro dimensioni, tre dimensioni di spazio e una di tempo, in un sistema di coordinate (x,y,z,t). Un fatto interessante è che un singolo punto in questo sistema di coordinate è chiamato evento. Detto questo, possiamo ricavare la definizione di buco nero.

Il buco nero è una regione dello spaziotempo dove la gravità è così ma così forte che qualsiasi gas, polvere, particella o anche la luce non può liberarsi da esso! Sono tutti fortemente attratti dalla forza di gravità nel buco nero e scompaiono, andando in un luogo che ancora oggi rimane sconosciuto agli scienziati. La parte interessante è che se nemmeno la luce può liberarsi da questa forza, è impossibile vedere un buco nero o anche solo sapere dove si trova. È come cercare di vedere un oggetto nero su uno sfondo nero: non si vede o, se si vede, è molto difficile. Allora, come fanno gli scienziati?

In teoria, i buchi neri si formano di solito quando una stella molto massiccia e più pesante del Sole collassa, alla fine della sua vita. La massa è un fattore molto importante per decidere se la stella morta si trasformerà in un buco nero o in una stella di neutroni. Questa stella supermassiccia viene schiacciata in uno spazio molto piccolo a causa della gravità e per formare il buco nero la massa compatta può deformare lo spaziotempo, secondo la teoria della relatività generale.

Questa deformazione dello spazio crea una forza di accelerazione gravitazionale che punta verso il centro del corpo di massa densa. A causa di questa forza, i gas e le particelle che si trovano nelle vicinanze del buco nero iniziano a guadagnare velocità di rotazione, venendo forzatamente attratti all'interno del buco nero. Questo fenomeno è chiamato Disco di accrescimento.

Questa forza gravitazionale e di attrito fa sì che tutti i gas e le particelle con cariche elettriche generino non solo un aumento di temperatura, ma anche una radiazione elettromagnetica con diverse frequenze come gli infrarossi o i raggi X. Grazie a questa sorprendente caratteristica, un buco nero può essere "visto". Questo è un bene, ma non facilita al 100% il lavoro dello scienziato: si ha una frequenza che si può tracciare, ma non si può ancora dire "oh guarda, un buco nero laggiù nel cielo". Non possiamo considerare la luce del buco nero alla stregua di quella di una stella normale; sono molto diverse tra loro. Ma la buona notizia è che l'oggetto nero dell'inizio è ora leggermente illuminato sullo sfondo nero.

Nella prima immagine del buco nero, possiamo vedere il disco di accrescimento. Il buco nero in questo caso è 6,5 milioni di volte più pesante del nostro Sole e si trova nella galassia Messier 87, a 53 milioni di anni luce dalla Terra. L'immagine è stata resa possibile grazie al tempismo di otto diversi telescopi in tutto il mondo, l'Event Horizon Telescope e alcune altre missioni di telescopi spaziali, che insieme hanno catturato contemporaneamente i dati di M87, nell'aprile 2017. Ognuno di loro ha catturato un dato diverso dal buco nero e poi tutto è stato messo insieme formando l'immagine. Può sembrare un'operazione facile e a un passo, ma gli scienziati hanno dovuto lavorare sodo per comprendere appieno tutti i dati e come gestirli, quale algoritmo usare e come usarlo.

In un articolo pubblicato nel 1997, Genzel ha dimostrato che i dati raccolti in cinque anni diversi, dal 1992 al 1996, catturano stelle in rapido movimento nelle immediate vicinanze di Sgr A* e che una massa oscura molto grande e pesante risiede in mezzo a queste stelle. "Non esiste una configurazione stabile di stelle normali, resti stellari o entità substellari a quella densità", si legge nell'articolo (GENZEL et al., 1997). In conclusione, "deve esserci un buco nero massiccio nel nucleo della Via Lattea".

In un altro articolo pubblicato nel 1998 da Ghez, uno studio durato due anni ha rilevato lo stesso schema di inizio movimento nello stesso punto, come si legge nell'articolo "i picchi sia della densità superficiale stellare che della dispersione di velocità sono coerenti con la posizione del candidato buco nero (all'epoca ancora candidato) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Le immagini utilizzate nello studio sono state ottenute a lunghezze d'onda del vicino infrarosso, il tipo di frequenza emessa dal disco di accrescimento.

Ecco un breve elenco di questi articoli:

GENZEL, R. et al. Sulla natura della massa oscura nel centro della Via Lattea. Note mensili della Società Astronomica Reale, v. 291, n. 1, p. 219-234, 11 out. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Evidenza di un buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia. La rivista Astrophysical Journal, v. 509, n. 2, p. 678-686, dicembre 1998.

GHEZ, A. M. et al. Misurazione della distanza e delle proprietà del buco nero supermassiccio centrale della Via Lattea con orbite stellari. La rivista Astrophysical Journal, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dicembre 2008.

Non è così bello l'universo?

Tutto questo è già incredibile, ma c'è ancora molto da fare, come ha detto David Haviland, presidente del Comitato per il Nobel per la Fisica: "Questi oggetti esotici pongono ancora molte domande che chiedono risposte e motivano la ricerca futura. Non solo domande sulla loro struttura interna, ma anche su come testare la nostra teoria della gravità nelle condizioni estreme nelle immediate vicinanze di un buco nero". E noi saremo qui, in attesa della prossima pausa! Nel frattempo, ringraziamo i vincitori di quest'anno Roger Penrose, Reinhard Genzel e Andrea Ghez, siete fantastici!

Se anche voi volete leggere qualcosa sul lavoro di Roger Penrose, ecco alcuni articoli che descrivono il suo lavoro. Uno di questi è stato pubblicato insieme al leggendario Stephen Hawking. Potete consultare questi articoli anche qui:

HAWKING, S.; PENROSE, R. La natura dello spazio e del tempo. Rivista americana di fisica, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 lug. 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. La conservazione dell'energia come base della meccanica relativistica. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. Un approccio alla radiazione gravitazionale con un metodo di coefficienti di spin. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. La conservazione dell'energia come base della meccanica relativistica. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 gennaio 1965.

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