Ad aprile 2019, gli scienziati hanno rilasciato la prima immagine di un buco nero nella galassia M87 utilizzando l'Event Horizon Telescope (EHT). Però, quel notevole risultato fu solo l'inizio della storia della scienza da raccontare.

I dati di 19 osservatori rilasciati oggi promettono di fornire una visione senza precedenti di questo buco nero e del sistema che alimenta, e per migliorare i test della Teoria della Relatività Generale di Einstein.

"Sapevamo che la prima immagine diretta di un buco nero sarebbe stata rivoluzionaria, " dice Kazuhiro Hada dell'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone, un coautore di un nuovo studio pubblicato in Le Lettere del Giornale Astrofisico che descrive l'ampio insieme di dati. "Ma per ottenere il massimo da questa straordinaria immagine, dobbiamo sapere tutto ciò che possiamo sul comportamento del buco nero in quel momento osservando l'intero spettro elettromagnetico".

L'immensa attrazione gravitazionale di un buco nero supermassiccio può alimentare getti di particelle che viaggiano quasi alla velocità della luce su vaste distanze. I getti di M87 producono luce che copre l'intero spettro elettromagnetico, dalle onde radio alla luce visibile ai raggi gamma. Questo modello è diverso per ogni buco nero. L'identificazione di questo modello fornisce informazioni cruciali sulle proprietà di un buco nero, ad esempio, la sua rotazione e la sua produzione di energia, ma è una sfida perché il modello cambia con il tempo.

Gli scienziati hanno compensato questa variabilità coordinando le osservazioni con molti dei telescopi più potenti del mondo a terra e nello spazio, raccogliere la luce da tutto lo spettro. Queste osservazioni del 2017 sono state la più grande campagna di osservazione simultanea mai intrapresa su un buco nero supermassiccio con getti.

Tre osservatori gestiti dal Centro di Astrofisica | Harvard e Smithsonian hanno partecipato alla storica campagna:il Submillimeter Array (SMA) a Hilo, Hawaii; l'Osservatorio a raggi X Chandra nello spazio; e il Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) nell'Arizona meridionale.

A partire dall'immagine ormai iconica dell'EHT dell'M87, un nuovo video accompagna gli spettatori in un viaggio attraverso i dati di ciascun telescopio. Ogni frame consecutivo mostra i dati su molti fattori di dieci in scala, sia delle lunghezze d'onda della luce che delle dimensioni fisiche.

La sequenza inizia con l'immagine del buco nero di aprile 2019. Quindi si sposta attraverso le immagini di altri array di radiotelescopi di tutto il mondo (SMA), spostandosi verso l'esterno nel campo visivo durante ogni passaggio. Prossimo, la vista cambia in telescopi che rilevano la luce visibile, luce ultravioletta, e raggi X (Chandra). Lo schermo si divide per mostrare come queste immagini, che coprono contemporaneamente la stessa quantità di cielo, confrontare tra loro. La sequenza termina mostrando quali telescopi a raggi gamma a terra (VERITAS), e Fermi nello spazio, rilevare da questo buco nero e dal suo getto.

Ogni telescopio fornisce informazioni diverse sul comportamento e l'impatto del buco nero da 6,5 ​​miliardi di massa solare al centro di M87, che si trova a circa 55 milioni di anni luce dalla Terra.

"Ci sono più gruppi desiderosi di vedere se i loro modelli corrispondono a queste ricche osservazioni, e siamo entusiasti di vedere l'intera comunità utilizzare questo set di dati pubblici per aiutarci a comprendere meglio i legami profondi tra i buchi neri e i loro getti, " dice il co-autore Daryl Haggard della McGill University di Montreal, Canada.

I dati sono stati raccolti da un team di 760 scienziati e ingegneri provenienti da quasi 200 istituzioni, in 32 paesi o regioni, e utilizzando osservatori finanziati da agenzie e istituzioni in tutto il mondo. Le osservazioni si sono concentrate da fine marzo a metà aprile 2017.

"Questo incredibile insieme di osservazioni include molti dei migliori telescopi del mondo, " afferma il coautore Juan Carlos Algaba dell'Università della Malesia a Kuala Lumpur, Malaysia. "Questo è un meraviglioso esempio di astronomi di tutto il mondo che lavorano insieme nella ricerca della scienza".

I primi risultati mostrano che l'intensità della luce prodotta dal materiale attorno al buco nero supermassiccio di M87 era la più bassa che fosse mai stata osservata. Ciò ha prodotto le condizioni ideali per vedere l'"ombra" del buco nero, oltre ad essere in grado di isolare la luce dalle regioni vicine all'orizzonte degli eventi da quelle decine di migliaia di anni luce di distanza dal buco nero.

La combinazione dei dati di questi telescopi, e attuali (e future) osservazioni EHT, consentirà agli scienziati di condurre importanti linee di indagine in alcuni dei campi di studio più significativi e impegnativi dell'astrofisica. Per esempio, gli scienziati intendono utilizzare questi dati per migliorare i test della teoria della relatività generale di Einstein. Attualmente, incertezze sul materiale che ruota attorno al buco nero e viene spazzato via dai getti, in particolare le proprietà che determinano la luce emessa, rappresentano un grosso ostacolo per questi test di Relatività Generale.

Una questione correlata che viene affrontata dallo studio odierno riguarda l'origine di particelle energetiche chiamate "raggi cosmici, " che bombardano continuamente la Terra dallo spazio. Le loro energie possono essere un milione di volte superiori a quelle che possono essere prodotte nel più potente acceleratore sulla Terra, il Large Hadron Collider. Gli enormi getti lanciati dai buchi neri, come quelli mostrati nelle immagini di oggi, si pensa che sia la fonte più probabile dei raggi cosmici di più alta energia, ma ci sono molte domande sui dettagli, comprese le posizioni precise in cui le particelle vengono accelerate. Poiché i raggi cosmici producono luce attraverso le loro collisioni, i raggi gamma a più alta energia possono individuare questa posizione, e il nuovo studio indica che questi raggi gamma probabilmente non sono prodotti vicino all'orizzonte degli eventi, almeno non nel 2017. Una chiave per risolvere questo dibattito sarà il confronto con le osservazioni del 2018, e i nuovi dati raccolti questa settimana.

"Comprendere l'accelerazione delle particelle è davvero fondamentale per la nostra comprensione sia dell'immagine EHT che dei getti, in tutti i loro 'colori', ", afferma il coautore Sera Markoff dell'Università di Amsterdam. "Questi getti riescono a trasportare l'energia rilasciata dal buco nero su scale più grandi della galassia ospite, come un enorme cavo di alimentazione. I nostri risultati ci aiuteranno a calcolare la quantità di energia trasportata, e l'effetto che i getti del buco nero hanno sul suo ambiente".

Il rilascio di questo nuovo tesoro di dati coincide con la corsa osservativa 2021 dell'EHT, che sfrutta una gamma mondiale di antenne paraboliche, la prima dal 2018. La campagna dell'anno scorso è stata annullata a causa della pandemia di COVID-19, e l'anno precedente è stato sospeso per problemi tecnici imprevisti. Proprio questa settimana, per sei notti, Gli astronomi dell'EHT stanno prendendo di mira diversi buchi neri supermassicci:quello in M87 di nuovo, quello della nostra Galassia chiamato Sagittario A*, e molti buchi neri più distanti. Rispetto al 2017, l'array è stato migliorato aggiungendo altri tre radiotelescopi:il Greenland Telescope, il telescopio Kitt Peak da 12 metri in Arizona, e il NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) in Francia.

"Con il rilascio di questi dati, combinato con la ripresa dell'osservazione e un miglioramento dell'EHT, sappiamo che molti nuovi risultati entusiasmanti sono all'orizzonte, ", afferma il coautore Mislav Balokovic dell'Università di Yale.

"Sono davvero entusiasta di vedere uscire questi risultati, insieme ai miei colleghi che lavorano alla SMA, alcuni dei quali sono stati direttamente coinvolti nella raccolta di alcuni dati per questa spettacolare vista in M87, ", afferma il co-autore Garrett Keating, uno scienziato del progetto Submillimeter Array. "E con i risultati di Sagittarius A*—l'enorme buco nero al centro della Via Lattea—che usciranno presto, e la ripresa delle osservazioni quest'anno, non vediamo l'ora di ottenere risultati ancora più sorprendenti con l'EHT per gli anni a venire."