La foto del buco nero che… Non è una foto

Sta facendo molto scalpore, sia in ambito scientifico che in quello mediatico, l’immagine che mostra, dopo decenni di speculazioni e ricerche, la forma di un buco nero.
Sui social impazza la condivisione, e selle TV e sugli articoli dei giornali la stampa la sta definendo ‘la foto del secolo’.
Peccato che non sia una foto!
Scopriamo assieme allora che cos’è, e perché è comunque considerata molto importante nella ricerca scientifica.

Cos’è un buco nero?

Prima di addentrarci nel dettaglio dell’articolo, è bene fare un piccolissimo ripasso di fisica astrale, definendo cosa è per la scienza un ‘buco nero’.
Un buco nero (chiamato anche, in passato, ‘stella nera’) è un oggetto celeste presente un po’ ovunque in tutto l’Universo sinora osservato, con una caratteristica fondamentale che lo fa distinguere da tutti gli altri (pianeti, stelle, ecc.): la sua massa è talmente grande e talmente compatta che la gravità che esercita è talmente elevata da superare persino la velocità di fuga della luce.
Attenzione però: la ‘velocità di fuga’ non è la ‘velocità’ come noi l’intendiamo.
Ciò vuol dire che il buco nero non ‘va più veloce della luce’, ma semplicemente che la sua attrazione gravitazionale è così alta che nulla, neppure la luce (che viaggia a circa 300.000 Km al secondo) non ha velocità sufficiente a ‘staccarsi’ dall’attrazione che il buco nero stesso esercita, finendo risucchiata nella massa totale.
Dal momento che un buco nero non emette e non riflette luce, bensì l’assorbe come una spugna, ecco che l’oggetto è invisibile ai nostri occhi e strumenti.
Ma se una cosa non si vede, non vuol dire che comunque non esista: e difatti, tutta la grande quantità di materia (intesa come massa ed energia) che ruota attorno al buco nero è comunque rilevabile, seppur con una certa difficoltà.
Ipotizzata inizialmente dal famoso fisico teorico Albert Einstein come parte della sua ancor più famosa teoria della relatività generale, l’esistenza dei buchi neri è stata pian piano appurata nel corso degli anni, con misurazioni strumentali e calcoli matematici.

Come si forma un buco nero?

Diverse sono le teorie sviluppate dagli scienziati per ipotizzare la nascita di un buco nero.
Alla base di ogni teoria, comunque, c’è una grandissima quantità di massa che, compattandosi all’infinito, crea un corpo super-denso, tale da avere una pazzesca gravità e una correlata ancora più pazzesca velocità di fuga.
Si ipotizza che un buco nero possa nascere dal collasso di una stella che, finita la propria carica nucleare ‘combustibile’, in certe condizioni possa compattarsi così tanto da diventare con una massa iper-densa.

Perché i buchi neri vengono chiamati ‘singolarità gravitazionali’?

Per farla breve, secondo la teoria della relatività generale di Einstein un buco nero non è altro che una distorsione del tessuto spazio-temporale.
Un oggetto così denso e dalla gravità così forte che è possibile immaginarlo esattamente proprio come uno strappo (o ‘buco’, per l’appunto) nella realtà che noi tutti percepiamo.
In questo senso, viene chiaro il perché è chiamato ‘singolarità’: è una condizione eccezionale che provoca effetti eccezionali.

Cos’è l’orizzonte degli eventi?

L’orizzonte degli eventi non è niente altro che la zona spaziale attorno buco nero, ossia l’area d’influenza della singolarità.
In parole molto più semplici: è quell’area sferica – chiaramente teorica – in cui qualsiasi cosa precipiti, fosse anche un fotone, non riesce più ad uscire, ed è dunque destinata a ‘cadere’ dentro al buco nero, diventando parte di esso e portando all’infinito la sua curvatura gravitazionale.
Viene chiamato ‘orizzonte’ poiché, esattamente come l’orizzonte che tutti noi conosciamo (ossia la linea di curvatura terrestre), è visibile ma non è mai raggiungibile: un ipotetico osservatore nel raggio d’azione dell’orizzonte lo vedrebbe allontanarsi sempre più con l’aumentare dell’avvicinamento.
In prossimità dell’orizzonte degli eventi, la distorsione dello spazio-tempo comincia ad essere così marcata che, matematicamente, le probabilità che le particelle possano deviare la loro traiettoria convergendo verso il buco nero aumentano in maniera esponenziale.
In buona sostanza: più la materia si avvicina all’orizzonte degli eventi e più ha probabilità di finirci dentro per sempre.

Quanto sono grandi i buchi neri?

Fermo restando che non è la grandezza che fa il buco nero ma la sua massa compressa e collassata che lo rende tale, ce ne sono di differenti dimensioni: alcuni sono grandi quattro o cinque volte il nostro Sole, altri sono talmente grandi da influenzare addirittura tutta la galassia che li contiene.
Di ciò è un buon esempio la Via Lattea, ovverosia la nostra galassia a spirale, al cui centro è molto probabile vi sia un gigantesco buco nero.

Perché non è possibile osservare direttamente i buchi neri?

Perché i nostri occhi convertono i segnali luminosi visibili (iride) in segnali elettrici che vengono inviati al cervello, e quando essi non sono presenti… Vediamo il buio.
Datosi che un buco nero non lascia sfuggire nulla, neppure un singolo fascio di luce, sia ai nostri occhi che ai nostri telescopi è totalmente invisibile.
Eppure, c’è un modo per localizzare una ‘stella nera’: cercare tutta l’enorme quantità di materia che le gira attorno, in attesa di essere risucchiata dall’orizzonte degli eventi.
Tale materia viene furiosamente e vorticosamente attratta e compressa, talmente tanto che, in prossimità dell’orizzonte, l’attrito la fa diventare incandescente.
Possiamo quindi rilevare alcune informazioni essenziali, quali ad esempio la consistente emissione di radiazioni, delle più disparate tipologie (soprattutto, radiazione luminosa).

Ca cosa è stata scattata la ‘foto’ del buco nero?

L’immagine che sta girando da qualche tempo sull’Internet appartiene al buco nero supermassiccio al centro della galassia Virgo A, ovverosia la galassia eclittica che possiamo osservare in corrispondenza dell’Ammasso della Vergine.
Il risultato che tutti possiamo vedere sull’Internet è il frutto del lavoro del progetto Event Horizon Telescope (EHT), ossia una grande rete di radiotelescopi che lavorano in sincrono sparsi su tutto il globo.
La caratteristica di questi radiotelescopi è che non riprendono singolarmente le immagini (od almeno, non esclusivamente), ma lavorano tutti assieme per formare un gigantesco super-telescopio, dall’immaginaria apertura grande quanto… Beh, come la distanza tra tutte le stazioni!
Datosi che, detto molto semplicemente per i neofiti, è tanto più facile intercettare segnali dallo spazio tanto quanto è effettivamente ampia l’apertura del telescopio, il progetto EHT è attualmente l’unico in grado di captare particolari emissioni radio molto difficili da rilevare, come per l’appunto i deboli segnali luminosi provenienti da ciò che sta attorno all’orizzonte degli eventi di un buco nero.

Perché la ‘foto’ del buco nero non è una fotografia?

Perché la ‘foto-grafia’, ossia la scrittura con la luce, è così intesa solo quando si ‘scrive’ direttamente con la luce.
Ciò solitamente accade quando impressioniamo un supporto sensibile (una pellicola oppure un sensore digitale) per un certo tempo e con una certa apertura di lente, ma nel caso della foto del buco nero nulla di ciò è stato fatto.
Piuttosto, l’immagine è il frutto del lavoro sincronizzato di tutti i radiotelescopi dell’EHT: ognuno di loro ha rilevato dei dati provenienti tutti dalla stessa direzione (quella del buco nero al centro di Virgo A), che sono stati interpolati da un software.
Purtroppo, i dati che giungono ai vari telescopi del progetto EHT non sono completi: non tutte le informazioni arrivano intelligibili oppure manca qualche ‘pezzo’, che non permette di ricomporre un’immagine stabile.
In pratica, come un vero e proprio puzzle, di cui si sono persi alcuni pezzi.
Per sopperire a ciò, i dati raccolti dai radiotelescopi vengono inviate ad un calcolatore elettronico molto potente (un supercomputer, nello specifico), appositamente istruito per tentare di mettere insieme tutti i pezzi inventando quelli mancanti, in modo da elaborare un’immagine comprensibile ai nostri occhi.
I pezzi mancanti non sono inventati a caso, ovviamente, ma seguendo delle precise regole incluse in specifici algoritmi di calcolo.
Questo processo di ricostruzione si chiama ‘imaging‘, e come risultato non dà una singola immagine, ma più modelli d’immagine che sono poi posti al vaglio degli scienziati analisti.
I risultati finali saranno poi scelti secondo certi parametri, in base alle conoscenze degli scienziati e dei dati sperimentali già raccolti (anche di situazioni analoghe), per ottenere poi l’immagine finale, ossia quella più attendibile.

Perché la ‘foto’ del buco nero di Virgo A è così eccezionale?

Perché ha dimostrato alcune due cose abbastanza importanti:

  1. Il sistema EHT può funzionare con ottimi risultati, e gli algoritmi di imaging possono produrre modelli attendibili;
  2. Per la prima volta, non è stata ottenuta un’immagine solo di ciò che sta attorno all’orizzonte degli eventi, ma si è potuto ricavare un prospetto del buco nero in sé

L’immagine interpolata del buco nero di Virgo A oltretutto, è l’ennesima prova sperimentale che la teoria alla base dei buchi neri (la gravità generale) è corretta, così come il modello matematico sviluppato da Albert Einstein è sostanzialmente corretto.

Autore: Giorgio Fiorini

IT Project Manager

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