La collaborazione scientifica EHT Event Horizon Telescope, che nel 2019 aveva pubblicato la prima “foto” di un buco nero, è riuscita ora a realizzare una nuova rappresentazione dell’enorme oggetto astrofisico al centro della galassia M87: si tratta dell’immagine del buco nero come appare in luce polarizzata. Questa è la prima misura della polarizzazione della luce - fenomeno che indica la presenza di campi magnetici - in una regione che si trova praticamente sul “bordo” di un buco nero, sul cosiddetto orizzonte degli eventi. Il risultato fornisce un contributo fondamentale per spiegare come la galassia M87, che si trova a 55 milioni di anni luce di distanza da noi, emetta dal suo nucleo getti energetici di particelle. Da questo studio, infatti, si ricavano preziose informazioni, utili a comprendere il comportamento dei campi magnetici intorno ai buchi neri e i processi che, in queste regioni molto dense dello spazio, sono in grado di produrre getti così potenti da estendersi ben oltre la galassia.
“La comprensione di questi campi magnetici è fondamentale, e nessuno era stato in grado di arrivare così vicino all’orizzonte degli eventi fino ad ora”, spiega Mariafelicia De Laurentis, professore all’Università Federico II di Napoli e ricercatrice dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, membro del Consiglio Scientifico di EHT e coordinatore del gruppo Gravitational Physics Input della collaborazione. “Le nostre misurazioni forniscono prove dirette di questo fenomeno confermando decenni di lavoro teorico, risultando fondamentali anche a determinare quali parti del campo magnetico sono responsabili dei getti ad alta energia emessi dai buchi neri. Possiamo dire di aver aggiunto un’altra pagina alla fisica dei buchi neri”, conclude De Laurentis.
Il 10 aprile 2019, gli scienziati di EHT avevano rilasciato la prima immagine in assoluto di un buco nero, che mostrava una struttura luminosa ad anello con una regione centrale scura: l’ombra del buco nero, appunto. Da allora, la collaborazione EHT ha ulteriormente approfondito l’analisi dei dati raccolti nel 2017 sull’oggetto astrofisico supermassiccio al cuore della galassia M87, riuscendo a osservare che una frazione significativa della luce attorno al buco nero di M87 è polarizzata. Questo lavoro rappresenta una pietra miliare in questo campo perché, studiando la polarizzazione della luce, è possibile ricavare informazioni che permettono di comprendere meglio la fisica che sta dietro l’immagine del 2019.
“Questa nuova immagine in luce polarizzata è basata sugli stessi dati raccolti nel 2017, ma sono stati necessari anni di lavoro per sviluppare le complesse tecniche di analisi dei dati, e per validarle attraverso simulazioni”, aggiunge Ciriaco Goddi, ricercatore presso le università olandesi di Nijmegen e Leiden e ricercatore associato all’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF). “I potentissimi getti relativistici lanciati dai buchi neri supermassicci come quello al centro della galassia M87 sono stati studiati nel corso degli anni con diversi strumenti, incluso il telescopio spaziale Hubble, ma solo ora siamo riusciti ad ottenere una descrizione completa delle strutture di campo magnetico che li avvolgono”.
La luce diventa polarizzata quando passa attraverso determinati filtri: è ciò che accade, per esempio, quando attraversa le lenti degli occhiali da sole polarizzati, che perciò riducono i riflessi e l’abbagliamento e ci consentono di vedere meglio. Un fenomeno analogo accade quando la luce attraversa regioni molto calde dello spazio che sono pervase dai campi magnetici. In modo analogo, gli scienziati sono riusciti ad affinare la loro visione della regione intorno al buco nero studiando la polarizzazione della luce che proviene da lì. In particolare, l’intensità e l’orientazione della polarizzazione – visibili nell’immagine sotto forma di striature - hanno permesso di mappare le linee del campo magnetico presenti sul bordo interno del buco nero.
“È interessante notare come solo una parte dell'anello di plasma che circonda il buco nero, quella che nell'immagine si vede in basso a destra, sia polarizzata in modo significativo, e come vi siano evidenze che la polarizzazione vari nel corso della settimana durante la quale abbiamo realizzato le osservazioni”, commenta Nicola Marchili, ricercatore INAF e membro del team scientifico di EHT presso il nodo italiano dell’Alma Regional Centre, ospitato presso la sede dell’INAF di Bologna, insieme ad Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl. “L'immagine in luce polarizzata ottenuta permette di ricavare interessanti informazioni aggiuntive su cosa produca l'emissione che l'immagine originale del 2019 non riusciva a fornire, e inoltre ci permette di stimare la densità e la temperatura del plasma”.
I getti luminosi di energia e materia, che fuoriescono dal nucleo di M87 e si estendono per almeno 5.000 anni luce dal suo centro, sono uno dei fenomeni più misteriosi ed energetici della galassia. La maggior parte della materia che si trova vicino al bordo di un buco nero vi precipita dentro. Tuttavia, alcune delle particelle riescono a sfuggire pochi istanti prima di essere catturate, e vengono così scagliate nello spazio sotto forma di getti.
Gli scienziati hanno utilizzato diversi modelli su come la materia si comporti vicino a un buco nero per studiare meglio questo processo, ma non sono ancora riusciti a capire esattamente come getti così estesi possano essere lanciati dalla sua regione centrale, che è tanto piccola quanto il Sistema Solare, né come la materia cada all’interno del buco nero. Con questa nuova immagine del buco nero e della sua ombra in luce polarizzata, gli scienziati sono finalmente riusciti a guardare per la prima volta nella regione appena fuori dal buco nero dove sta avvenendo questa interazione tra la materia che fluisce dentro e la materia che viene espulsa. Le osservazioni forniscono dunque nuove informazioni sulla struttura dei campi magnetici appena fuori dal buco nero, e la collaborazione EHT ha così scoperto che solo i modelli teorici con gas fortemente magnetizzati possono spiegare ciò che si vede sull’orizzonte degli eventi del buco nero. I nuovi dati, infatti, indicano che i campi magnetici sul bordo del buco nero sono abbastanza forti da respingere il gas caldo e aiutarlo a resistere alla forza di gravità, lasciando spiraleggiare verso l’interno, fino all’orizzonte degli eventi, solo una parte del gas, quella che riesce a scivolare attraverso il campo magnetico.
Per osservare il cuore della galassia M87, la collaborazione ha collegato otto telescopi in tutto il mondo, per creare un telescopio virtuale delle dimensioni della Terra, l’Event Horizon Telescope. Tra essi ha contribuito anche ALMA, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, con le sue 66 antenne ad alta precisione nel deserto del Cile, in posizione strategica sul globo terrestre per connettere l’intera rete EHT. L’impressionante risoluzione ottenuta con EHT è equivalente a quella che sarebbe necessaria per misurare dalla Terra un oggetto grande come una carta di credito sulla superficie della Luna. Questa configurazione ha permesso al team di osservare direttamente l’ombra del buco nero e l’anello di luce attorno ad esso, con la nuova immagine di luce polarizzata che mostra chiaramente che l’anello è magnetizzato.
I risultati sono pubblicati oggi in due articoli distinti in The Astrophysical Journal Letters dalla collaborazione EHT. Inoltre, un terzo articolo sulla stessa rivista, guidato da Goddi insieme a tutta la collaborazione, descrive in dettaglio le osservazioni effettuate con ALMA, mostrando come le strutture di campo magnetico si estendano dal bordo interno del buco nero fino a ben oltre il nucleo della galassia M87 per migliaia di anni luce. La ricerca ha coinvolto oltre 300 ricercatori di molteplici organizzazioni e università in tutto il mondo. EHT sta facendo rapidi progressi, con aggiornamenti tecnologici alla rete e l’aggiunta di nuovi osservatori. Le future osservazioni di EHT riveleranno più accuratamente la struttura del campo magnetico attorno al buco nero e daranno ulteriori indicazioni sulla fisica dei gas caldi in questa regione.
Immagine: buco nero al centro della galassia M87 in luce polarizzata ©EHT Event Horizon Telescope Collaboration
“First M87 Event Horizon Telescope Results VII: polarization of the ring” di The Event Horizon Collaboration; The Astrophysical Journal Letters, 910, L12
URL/DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abe71d
“First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon” di The Event Horizon Collaboration, The Astrophysical Journal Letters, 910, L12
URL/DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abe4de
“Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA” di Ciriaco Goddi, Iván Martí-Viddal, Hugo Messias e The Event Horizon Collaboration; The Astrophysical Journal Letters, 910, L14
URL/DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abee6a