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La prima immagine (dell’ombra) di un buco nero e le sue implicazioni scientifiche

La prima immagine (dell’ombra) di un buco nero e le sue implicazioni scientifiche

Il 10 aprile 2019 verrà ricordato come una data miliare nella storia della scienza: viene mostrata al mondo la prima immagine di un buco nero, o meglio, della sua ombra!

Qualcuno, vedendola, potrà aver pensato “Bè? Cos’ha di tanto particolare? E’ pure bruttarella, un po’ sfocata…”, ma la sua importanza non risiede tanto nei contenuti estetici, pur affascinanti, quanto nelle enormi implicazioni scientifiche che porta con sé.
Ma procediamo per gradi.

Nell’aprile del 2017 otto radiotelescopi facenti parte dell’EHT (Event Horizone Telescope, un consorzio di osservatori astronomici dislocati in ogni angolo del pianeta), e distanti migliaia di km l’uno dall’altro, vengono puntati verso il centro della galassia M87, nella Costellazione della Vergine a 55 milioni di anni luce dalla Terra, dove si ritiene esserci un buco nero supermassiccio, chiamato M87 come la galassia di appartenenza. Questo “mostro cosmico”, avente una massa stimata in 6,5 miliardi di volte quella del sole, viene scelto per l’osservazione in quanto particolarmente attivo e quindi più facilmente rilevabile.

Gli otto radiotelescopi, sincronizzati tramite un orologio atomico la cui precisione è pressoché assoluta, costituiscono insieme una gigantesca antenna capace di fornire la risoluzione spaziale (angolare, per l’esattezza) necessaria ad osservare un oggetto posto a così grande distanza e relativamente piccolo su scala cosmica. Grazie ad una particolare tecnica interferometrica, detta a lunghissima base, i radiotelescopi producono in circa dieci giorni di osservazione una enorme mole di dati, pari a circa quattro petabyte… per intenderci: quanti di noi hanno in casa un hard disk da 1 terabyte? Molti. Ebbene, per contenere 4 petabyte occorrerebbero quattro milioni (si, milioni) di hard disk da un terabyte. Questo oceano di informazioni viene portato in due avanzatissimi centri di calcolo, al MIT (Massachusetts Institute of Tecnology) di Boston ed al Max Planck Institute fur Radiostronomie di Bonn, dove i dati raccolti, grazie al complesso software sviluppato dalla matematica Katie Bouman e dal suo team al M.I.T., vengono combinati insieme e messi a disposizione di oltre 200 scienziati dei 60 istituti mondiali di ricerca coinvolti nel progetto (tra cui anche gli italiani Istituto Nazionale di Astrofisica ed Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) i quali, nei due anni successivi, ricompongono tutti i tasselli del gigantesco mosaico sino a formare l’immagine presentata al mondo alle ore 15 del 10 aprile 2019 a Palazzo Berlayamont di Bruxelles.

Ma qual’è l’importanza di questo annuncio? E alcune critiche che si sono susseguite immediatamente dopo sono fondate?
Pur senza addentrarsi troppo nello specifico, e semplificando molto, occorre fare qualche passo indietro per comprendere concettualmente cos’è un buco nero.

Nel 1905 Albert Einstein, all’epoca uno sconosciuto impiegato dell’ufficio brevetti di Berna, pubblica sulla rivista Annalen der Physik il celebre articolo “Zur Elektrodynamic bewegter Korper” (Sul’Elettrodinamica dei corpi in movimento) in cui oltre a risolvere le contraddizioni tra il principio di relatività di Galileo Galilei e la teoria dell’elettromagnetismo rivoluziona il concetto di tempo, stabilendo come esso non scorra allo stesso modo per tutti ma dipenda dallo stato di moto di chi lo misura, e sancisce l’equivalenza tra massa ed energia con la celebre equazione E=mc2: è la nascita della Teoria della Relatività Ristretta.

Undici anni dopo Einstein pubblica un secondo scritto dove, tra le altre, reinterpreta il concetto di spazio e ridefinisce la forza di gravità: lo spazio non è più un ente astratto ma diviene una vera e propria grandezza fisica con caratteristiche peculiari e non scindibile dal tempo; spazio e tempo sono due aspetti della medesima entità: lo spaziotempo. Esso viene influenzato, curvato, dalla massa proporzionalmente a questa, così come un un telo elastico e ben teso viene curvato da un oggetto postovi sopra in misura tanto maggiore quanto più è pesante l’oggetto. Dunque la gravità, sino ad allora considerata come una forza agente a distanza tra corpi, adesso è dovuta alla curvatura dello spaziotempo: qualunque oggetto si muove nello spazio, e se questo risulta curvato l’oggetto non potrà che muoversi seguendone la curvatura; ecco spiegato perché i pianeti ruotano attorno al sole. E’ questa la Teoria della Relatività Generale, un insieme di eleganti e complesse equazioni che costituiscono un meraviglioso modello matematico per studiare l’Universo, pur con i suoi limiti dovuti alla ancora irrisolta inconciliabilità con la Meccanica Quantistica.

Un aspetto fondamentale della Teoria della Relatività Generale, ed al tempo stesso il suo punto di forza per analizzare qualunque scenario cosmico concepito, è che essa è costituita da un complesso di equazioni matematiche che fornisce risultati diversi a seconda dei dati che vi vengono inseriti. Grazie a questa sua peculiarità, il fisico tedesco Karl Schwarzschild studiandone, sempre nel 1916, possibili soluzioni delle equazioni giunge al risultato che considerando un ipotetico corpo di grandissima densità, dotato cioè di un volume estremamente piccolo rispetto alla sua massa, esso produrrebbe una curvatura dello spaziotempo tale da non permettere nemmeno alla luce di venirne fuori. In sostanza Schwarzschild ipotizza per la prima volta un buco nero, termine che viene poi coniato più avanti negli anni ’60 dal fisico statunitense John Archibald Wheeler, il quale adotta il termine nero proprio perché se nemmeno la luce, e qualunque altra cosa vi “cada” dentro, può uscire da questa deformazione spaziotemporale allora essa sarà invisibile, nera appunto…un grande “buco” in cui tutto scompare.

Fatto questo breve ma necessario excursus storico, oggi, grazie agli studi teorici su questi oggetti misteriosi compiuti da eminenti scienziati, uno su tutti il celebre e recentemente scomparso Stephen Hawking, si conoscono molte cose sui buchi neri; sappiamo, per esempio, che si formano dalla “morte” di stelle aventi una massa superiore a tre volte quella del nostro sole. Le stelle sono delle immense centrali nucleari, nel loro nucleo, all’interno, avvengono le reazioni che le mantengono “accese” e che generano una pressione verso l’esterno tale da bilanciare la “forza” gravitazionale che tenderebbe, invece, a far implodere tutta la loro massa verso il centro. Ma poiché nulla è eterno, anche queste reazioni si esauriscono nell’arco di miliardi di anni, e quando ciò avviene le stelle “muoiono”, prima espandendosi a dismisura e poi implodendo; se la loro massa va oltre le tre volte quella solare l’implosione non si arresta e procede sino a condensare tutta la materia rimasta in un punto piccolissimo, raggiungendo densità inimmaginabili che generano un’attrazione gravitazionale cui nulla può sfuggire, nemmeno la luce. In termini relativistici lo spaziotempo attorno il punto di materia condensata si è talmente curvato da formare una sorta di imbuto dal quale nulla può più venir fuori, ed il cui vertice, definito singolarità spaziotemporale, è un punto infinitamente piccolo e di densità infinita. E’ nato un buco nero.

Quando un corpo celeste, qualunque esso sia, giunge vicino ad un buco nero ne viene attratto sempre più intensamente ed inizia a perdere materia che, prima di precipitarvi dentro, percorre ad altissime velocità delle traiettorie a spirale tutto intorno formando una sorta di anello detto  “disco di accrescimento”; in questo suo vorticoso roteare la materia, essenzialmente ridotta a polveri e gas, raggiunge temperature estremamente elevate ed emette raggi x e radiazioni ultraviolette. Quando essa si è avvicinata tanto da oltrepassare una distanza minima di non ritorno, detta “orizzonte degli eventi”, viene inesorabilmente risucchiata e scompare inghiottita per sempre dal buco nero, al cui abbraccio mortale nulla può sfuggire. Nelle immediatezze dell’orizzonte degli eventi, però, lo spaziotempo è distorto al punto che la radiazione emessa dal vortice di materia incandescente muta proprietà fisiche aumentando la lunghezza d’onda e diminuendo l’energia, per cui i raggi x ed ultravioletti si trasformano in onde radio. Per tale motivo per studiare i dintorni di un buco nero, il suo disco di accrescimento, occorrono i radiotelescopi, tarati su una lunghezza d’onda opportuna che consente i migliori risultati analiticamente possibili, risultati tradotti in immagini nel caso di M87.

Ma qual’è il destino di ciò che precipita in buco nero? Dove finisce? Non è dato saperlo, perché tutto ciò che attraversa l’orizzonte degli eventi semplicemente scompare dal nostro universo. Autorevoli scienziati hanno suggerito diverse ipotesi in merito, alcune anche molto suggestive come quella delle “metropolitane cosmiche”, dovuta al celebre astronomo Carl Sagan, che immaginò i buchi neri come una sorta di tunnel che mettono in comunicazione punti enormemente distanti dell’universo a mo di scorciatoia, ma rimangono comunque solo delle mere ipotesi: tutto quello che cade in buco nero non è più indagabile, “esce” dal nostro universo, e ciò che accade al suo interno rimane sconosciuto né ipotizzabile perché superato l’orizzonte degli eventi, sulla cui soglia il tempo si ferma, le leggi della fisica così come le conosciamo cessano di esistere.

Di buchi neri ne esistono diversi tipi, essi sono suddivisi in varie tipologie in base alle loro caratteristiche; ci sono i buchi neri stellari, con una massa di circa 10 volte quella solare, quelli intermedi, aventi una massa dalle 30 alle 60 volte quella solare e scoperti di recente grazie ai rivelatori di onde gravitazionali (Virgo e Ligo), quelli primordiali, “mini” buchi neri formatisi agli albori del Big Bang e particolarmente studiati teoricamente in quanto potrebbero avere un ruolo chiave nella spiegazione della massa mancante dell’universo, e poi ci sono i giganti, come appunto M87, situati al centro delle galassie ed aventi massa milioni o miliardi di volte quella del sole.
Molto altro ancora ci sarebbe da dire sui buchi neri, ma ciò esula dagli intenti di questo articolo.

Tornando adesso all’immagine del buco nero M87, perché essa è così importante tanto da essere definita “la foto del secolo” ? Perché la comunità scientifica internazionale si è impegnata nel notevole sforzo che ha portato alla sua realizzazione?
E’ importante perché ciò che sino a ieri era solo una possibile soluzione matematica di una teoria, un entità che si sapeva dover esistere ma pur sempre astratta, immateriale, solo calcolata, è oggi un oggetto reale, i cui effetti che produce attorno a se sono osservabili e fotografabili: si è ottenuta l’immagine di un anello luminoso, il disco di accrescimento, che circonda una buca oscura, che è appunto “l’ombra” del buco nero; immagine, tra l’altro, deformata dalla gravità per un effetto noto come lente gravitazionale, a conferma di quanto previsto dalla Relatività Generale. “Con questo esperimento è stato dimostrato che i buchi neri esistono e possono essere studiati con osservazioni astronomiche”, ha dichiarato Ciriaco Goddi, scienziato italiano coinvolto nel progetto, ed infatti l’analisi dell’immagine dell’ombra del buco nero permette agli addetti ai lavori di effettuarne misure importantissime, come massa, diametro, carica elettrica ecc…

E’ importante perché è in perfetto accordo con le simulazioni computerizzate basate su modelli matematici costruiti attorno la teoria della Relatività Generale ed inerenti la fisica dello spaziotempo deformato da campi gravitazionali estremi, della materia surriscaldata e dei campi magnetici molto intensi. Un’ulteriore conferma, dunque, che Einstein avesse ragione, arrivata esattamente 100 anni dopo quella fornita dall’astrofisico e matematico inglese Arthur Eddington, che durante un’eclissi di sole verificava come la gravità “pieghi” la luce e, quindi, distorca lo spaziotempo.

E’ importante perché apre una nuova pagina nello studio dell’universo. Studiando infatti la regione di spazio prossima all’orizzonte degli eventi si comprenderanno molte più cose sullo sviluppo, accrescimento ed irradiazione dei buchi neri, e si potrà esplorare la gravità (la grandezza fisica) a livelli estremi e su scale massive sino ad oggi impensabili, accrescendo enormemente le nostre conoscenze sull’universo

E’ importante perchè, soprattutto, come sempre accade nella scienza, nuove scoperte schiudono le porte della conoscenza su scenari inediti ed impensabili: è il cammino della ricerca scientifica. Quale sarà, dunque, il prossimo passo degli scienziati impegnati nel progetto? Innanzitutto riuscire ad acquisire immagini sempre migliori dei dintorni di un buco nero, e per far ciò bisognerà disporre di una rete di radiotelescopi ancora più ampia, onde poter usufruire di una risoluzione spaziale maggiore che permetta di osservare buchi neri più piccoli e/o meno attivi di M87, spesso situati in regioni di spazio che per loro natura ne rendono ulteriormente difficoltosa l’osservazione. Indiziato speciale sarà Sagittarius A, un buco nero gigante della massa di quattro milioni di volte quella del sole, posto al centro della nostra galassia ma meno attivo di M87 e quindi più difficilmente rilevabile. Successivamente, nel lungo termine, si cercherà di usare la stessa tecnica di osservazione sfruttando i satelliti, cosa che dovrebbe comportare un balzo di qualità nell’osservazione, analogamente a quello che si fece con la messa in orbita del telescopioHubble.

Concludiamo questa chiacchierata venendo alla domanda che ci siamo posti qualche riga fa sulla fondatezza o meno delle polemiche che hanno immediatamente seguito l’annuncio. Alcuni scienziati si sono infatti posti in contrapposizione con i fautori della scoperta definendo quest’ultima priva di valore scientifico, altri ancora l’hanno addirittura etichettata come una pagliacciata, insomma, le polemiche non sono mancate. Ebbene, quanto sono fondati tali severi giudizi? A nostro modesto avviso, e per quanto esposto sopra, sono molto miopi ed essenzialmente privi di fondatezza! A conforto di questa nostra personale opinione è la circostanza che la maggioranza del mondo scientifico la pensi esattamente così. Del resto, la storia della scienza è costellata di analoghe situazioni, le scoperte scientifiche epocali sono spesso state accompagnate da aspri dissensi e feroci critiche che, tuttavia, si sono presto irrimediabilmente spente soccombendo all’evidenza della realtà. Ed a chi ha dichiarato che questa scoperta è inutile e che i buchi neri non ci servono perchè nulla aggiungono alla nostra comprensione del cosmo, per inciso lo stesso illustre esponente del mondo scientifico che circa quattro decenni fa si rese protagonista di una diatriba scientifica sostenendo di non credere all’esistenza dei buchi neri, salvo poi doversi inevitabilmente ricredere, e che sostiene tutt’ora che la biologia e la medicina non siano vere scienze in quanto non esprimibili con formalismo matematico, auguriamo di tutto cuore di poter vivere ancora tanto a lungo da poter essere testimone degli inevitabili sviluppi scientifici che seguiranno, negli anni a venire, la prima immagine di M87, sì da potersi ricredere ancora una volta.

Piero Buttà

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