Buchi neri: un nuovo modo di scoprirli

Le tecniche usate per realizzare la straordinaria foto di SgrA* potranno aiutarci a scoprire nuovi buchi neri disseminati nell’Universo.

Lo studio dei buchi neri è progredito enormemente negli ultimi anni. Nel 2015, gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno osservato le prime onde gravitazionali. Questa scoperta ha confermato ciò che Einstein aveva previsto un secolo prima con la Relatività Generale e ha offerto nuove informazioni sulle fusioni di buchi neri. Nel 2019, gli scienziati con la collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) hanno condiviso la prima immagine di un buco nero supermassiccio (SMBH), che risiede al centro della galassia M87. All’inizio di questo mese, l’EHT ha annunciato di aver acquisito anche la prima immagine del Sagittarius A*, il buco nero al centro della Via Lattea.

E proprio all’inizio del mese, una coppia di ricercatori della Columbia University ha annunciato un modo nuovo e potenzialmente più semplice per studiare i buchi neri. In particolare, il loro metodo potrebbe consentire lo studio di buchi neri più piccoli di M87* in galassie più distanti di M87.

Una nuova tecnica di ricerca combinata

La loro tecnica ne combina due già note: l’interferometria e la lente gravitazionale.

La prima prevede l’uso di più strumenti per catturare la luce da sorgenti lontane, quindi combinarla per creare un’immagine composita. Questa è la tecnica ha consentito alla collaborazione EHT di acquisire immagini degli anelli luminosi che circondano M87* e Sagittarius A*.
In quest’ultimo caso, la forza gravitazionale di un oggetto massiccio (come un buco nero o una galassia) viene utilizzata per ingrandire e migliorare la luce di un oggetto più distante.

Come spiegano i ricercatori, osservando un sistema binario di buchi neri di taglio mentre uno passa davanti all’altro (ovvero durante un transito), gli astronomi saranno in grado di usare la forza gravitazionale del buco più vicino per ingrandire il disco luminoso di quello più distante. Tuttavia, queste osservazioni riveleranno anche un’altra caratteristica interessante. Quando due buchi neri passano l’uno di fronte all’altro ci sarà un caratteristico calo di luminosità corrispondente all’ombra del buco nero più distante.

A seconda della massa dei buchi neri e di quanto strettamente sono intrecciate le loro orbite, questi cali possono durare da poche ore a pochi giorni. La lunghezza della variazione può anche essere utilizzata per stimare la dimensione e la forma dell’ombra proiettata dall’orizzonte degli eventi del buco nero, il punto in cui nulla può sfuggire alla sua forza gravitazionale (nemmeno la luce). 

“Ci sono voluti anni e un enorme sforzo da parte di dozzine di scienziati per realizzare quell’immagine ad alta risoluzione dei buchi neri M87. Questo approccio funziona solo per i buchi neri più grandi e più vicini: la coppia nel cuore di M87 e potenzialmente la nostra Via Lattea. Con la nostra tecnica, si misura la luminosità dei buchi neri nel tempo, non è necessario risolvere ogni oggetto nello spazio. Dovrebbe essere possibile trovare questo segnale in molte galassie” ha affermato Zaltàn Haiman, uno dei ricercatori.

Nell’ombra dei buchi neri

L’ombra di un buco nero è la sua caratteristica più misteriosa ma anche la più ricca di informazioni.

“Quella macchia scura ci parla delle dimensioni del buco nero, della forma dello spazio-tempo che lo circonda e di come la materia cade nel buco nero vicino al suo orizzonte”.

Haiman e il suo collega Jordy Davelaar si sono interessati a questo fenomeno dopo che Haiman e un team di colleghi hanno rilevato una sospetta coppia di buchi neri supermassicci nel 2020 al centro di una galassia, chiamata Spikey, che esisteva durante l’Universo primordiale. La scoperta è avvenuta quando il team stava esaminando i dati del telescopio spaziale Kepler per monitorare stelle lontane in piccoli cali di luminosità, che viene utilizzato per confermare la presenza di esopianeti.

Ma i dati di Kepler hanno mostrato a sorpresa che l’effetto di flaring era causato da una coppia di buchi neri in transito visibili di taglio e dall’effetto di lente degli stessi mentre passavano l’uno di fronte all’altro.

Per saperne di più sul calo di luminosità, Haiman ha chiesto l’aiuto di Davelaar per costruire un modello di questo fenomeno. Sebbene il modello abbia confermato i picchi, ha anche rivelato un calo periodico della luminosità che non poteva essere spiegato. Dopo aver eliminato la possibilità che ciò fosse dovuto a errori nel modello, hanno determinato che il segnale era reale e hanno iniziato a cercare un meccanismo fisico che potesse spiegarlo.

Alla fine, si sono resi conto che ogni calo corrispondeva al tempo impiegato dai buchi neri per effettuare i transiti rispetto all’osservatore.

Una soluzione alla Teoria del Tutto?

Il rilevamento di questa ombra potrebbe avere enormi implicazioni sia per gli astrofisici che per i fisici quantistici.

Gli astrofisici hanno cercato queste ombre di buchi neri come parte di uno sforzo continuo per testare la relatività generale nelle condizioni e negli ambienti più estremi. Questi test potrebbero portare a una nuova comprensione di come interagiscono la gravità e le forze quantistiche, il che consentirebbe ai fisici di risolvere finalmente il modo in cui le quattro forze fondamentali della natura lavorano insieme: elettromagnetica, forze nucleari deboli, forze nucleari forti e gravità.

Per decenni, gli scienziati hanno capito come funzionano tre delle forze che governano tutte le interazioni materia-energia. Mentre la Relatività Generale descrive come la gravità (la più debole delle quattro forze) funziona da sola, tutti gli sforzi per trovare un modo per spiegarla in termini quantistici sono falliti. Di conseguenza, una teoria della “gravità quantistica”, o Teoria del Tutto, è sfuggita anche alle più grandi menti scientifiche. 

Nel frattempo, Haiman e Davelaar stanno cercando altri dati del telescopio per confermare le osservazioni di Kepler e verificare che “Spikey” stia davvero ospitando una coppia di buchi neri in fusione. Se e quando la loro tecnica sarà confermata, è probabile che venga applicata alle circa 150 coppie di buchi neri supermassici in fusione che sono state individuate ma sono ancora in attesa di conferma.

Nei prossimi anni verranno messi in funzione i telescopi di prossima generazione che consentiranno maggiori opportunità di testare questa tecnica e con così tanti candidati disponibili per lo studio, gli scienziati non dovranno aspettare a lungo per una svolta.

“Anche se solo una piccola frazione di questi sistemi binari di buchi neri ha le condizioni giuste per verificare la nostra teoria, potremmo in futuro trovarne davvero tanti”.

Riferimenti: UniverseToday, Columbia University