Decifrare le ombre dei buchi neri M87* e Sagittarius A*

Decodificare l'ombra interna: come la geometria dell'accrescimento modella la nostra visione di M87* e Sagittarius A*

Nella ricerca per comprendere gli ambienti più estremi dell'universo, la sagoma di un buco nero è diventata un'icona centrale dell'astrofisica moderna. Da quando la collaborazione Event Horizon Telescope (EHT) ha rilasciato la prima immagine del supermassiccio centro motore della galassia M87 nel 2019, seguita dall'immagine di Sagittarius A* al centro della nostra Via Lattea nel 2022, gli scienziati sono andati oltre la semplice rilevazione. L'attuale frontiera consiste nell'utilizzare queste "ombre" per misurare proprietà fondamentali: massa, spin e persino carica elettrica. Tuttavia, un nuovo studio guidato dai ricercatori Dominic O. Chang, Daniel C. M. Palumbo e Julien A. Kearns suggerisce che queste misurazioni siano profondamente legate alla geometria del gas che emette luce circondando l'orizzonte degli eventi. La loro ricerca rivela che, se non teniamo conto correttamente dello spessore e dell'orientamento del flusso di accrescimento, la nostra interpretazione di questi giganti cosmici potrebbe risultare significativamente distorta.

Le immagini storiche prodotte dall'EHT hanno fornito la prima prova visiva di un anello di fotoni: un cerchio luminoso di luce formato da fotoni che hanno subito l'effetto di lente gravitazionale attorno al buco nero. Sebbene queste immagini abbiano confermato le previsioni fondamentali della Relatività Generale, rappresentano solo l'inizio. La prossima generazione di osservatori, tra cui il Next-Generation Event Horizon Telescope (ngEHT) e il Black Hole Explorer (BHEX) basato nello spazio, mira a risolvere dettagli più fini all'interno di queste strutture. Questa transizione dalla cattura di morfologie rudimentali simili ad anelli alla mappatura ad alta risoluzione richiede una comprensione sofisticata di come la materia circostante, o disco di accrescimento, contribuisca alla luce che vediamo.

La fisica dell'ombra e l'ombra interna di un buco nero

Centrale per la ricerca è la distinzione tra due caratteristiche critiche: l'ombra del buco nero e l'ombra interna. Sebbene siano spesso usati in modo intercambiabile nel discorso comune, rappresentano fenomeni fisici diversi. L'ombra standard è l'ampia regione oscura centrale formata dalla curva critica dell'anello di fotoni, dove i raggi luminosi diventano asintotici verso orbite instabili. Al contrario, l'ombra interna è un'area più piccola e ancora più scura annidata all'interno dell'ombra principale. Essa appare principalmente nei modelli in cui l'emissione è confinata vicino al piano equatoriale, come nei dischi magneticamente arrestati. L'ombra interna è essenzialmente l'immagine diretta, soggetta a lente, del bordo dell'orizzonte degli eventi, fornendo un vincolo molto più stretto sulle metriche del buco nero rispetto alla sola ombra più ampia.

Per indagare su come queste caratteristiche possano essere utilizzate per decodificare i parametri del buco nero, Chang e i suoi colleghi hanno utilizzato la metrica di Reissner-Nordström, che descrive un buco nero non rotante con massa e carica. Variando la massa e la carica, hanno potuto osservare come cambiassero le dimensioni e la forma sia dell'ombra che dell'ombra interna. Tuttavia, il loro contributo principale risiede nell'esplorazione di come la geometria dell'emissione — la "colatitudine" o la dispersione angolare del gas incandescente — interagisca con queste caratteristiche. Hanno scoperto che la dimensione percepita di queste ombre non è solo un prodotto della gravità, ma una complessa interazione tra lo spaziotempo del buco nero e la struttura fisica del disco di accrescimento.

Un disco di accrescimento altera fondamentalmente la nostra visione attraverso diversi effetti relativistici. La lente gravitazionale devia i percorsi della luce per creare il caratteristico anello, mentre l'effetto Doppler boosting fa sì che il lato del disco che si muove verso l'osservatore appaia molto più luminoso del lato che si allontana. Inoltre, il redshift gravitazionale sposta la luce verso lunghezze d'onda più lunghe mentre sfugge all'intensa attrazione vicino all'orizzonte degli eventi. I ricercatori hanno scoperto che i dischi di accrescimento "spessi" — quelli in cui la luce viene emessa da una gamma più ampia di angoli — possono oscurare l'ombra interna o cambiarne il diametro apparente. Ciò pone una sfida significativa: se un osservatore ipotizza un modello di disco sottile quando la realtà è un flusso spesso, la massa o la carica calcolata del buco nero potrebbe essere fondamentalmente errata.

La sfida della geometria dell'accrescimento e la degenerazione dei parametri

La metodologia dello studio ha comportato la simulazione di immagini di flussi di accrescimento di buchi neri attraverso un ampio spazio di parametri. Testando diverse inclinazioni dell'osservatore — l'angolo con cui guardiamo il disco — il team ha scoperto che la capacità di vincolare i parametri del buco nero è altamente sensibile alla nostra conoscenza della sorgente di emissione. Nello specifico, hanno notato che misurazioni indipendenti sia del raggio dell'ombra che del raggio dell'ombra interna sono necessarie per "rompere la degenerazione" tra variabili come la carica e l'inclinazione. La degenerazione si verifica quando due diverse configurazioni fisiche — ad esempio, un buco nero con carica elevata osservato con una certa inclinazione rispetto a un buco nero con carica bassa osservato con un'altra — producono immagini quasi identiche.

Le scoperte di Chang, Palumbo e Kearns evidenziano che, sebbene i futuri osservatori forniranno la risoluzione necessaria per vedere l'ombra interna, i dati saranno validi solo quanto i modelli utilizzati per interpretarli. "Confermiamo studi precedenti che hanno dimostrato che misurazioni indipendenti dei raggi... possono vincolare i parametri del buco nero se l'inclinazione di osservazione è nota", notano gli autori, ma avvertono che ciò è possibile solo se viene ipotizzata la "vera geometria dell'emissione". Per un sistema come M87*, che viene osservato quasi dai poli, le sfide differiscono da Sagittarius A*, che potrebbe avere un orientamento più complesso o di taglio. Lo studio suggerisce che lo spessore del disco può far "trapelare" la luce in aree che altrimenti sarebbero oscure, riducendo efficacemente la dimensione apparente dell'ombra interna e complicando la misurazione dell'influenza dell'orizzonte degli eventi.

Direzioni future e il ruolo di ngEHT e BHEX

Le implicazioni per il settore sono profonde, in particolare mentre l'ngEHT si avvia verso la sua fase operativa. Si prevede che l'ngEHT produrrà immagini più nitide e ad alta risoluzione, e persino filmati dinamici di M87* e Sagittarius A*. Aggiungendo più telescopi alla rete globale e quadruplicando la larghezza di banda, l'ngEHT raggiungerà risoluzioni fino a 13 microarcosecondi. Questo livello di dettaglio permetterà agli scienziati di mappare i campi magnetici e rilevare "punti caldi" all'interno del flusso di accrescimento. Tuttavia, il lavoro del team di Chang suggerisce che il successo dell'ngEHT nel testare la Relatività Generale dipenderà dalla nostra capacità di modellare simultaneamente la fisica del plasma del disco di accrescimento insieme alla fisica gravitazionale del buco nero.

Oltre alle reti terrestri, il Black Hole Explorer (BHEX) rappresenta il prossimo salto nell'imaging ad alta fedeltà. Posizionando un telescopio nello spazio, i ricercatori possono aggirare l'interferenza atmosferica che limita le osservazioni terrestri, consentendo immagini a frequenze ancora più elevate. Ciò fornirebbe uno sguardo più chiaro sull'"anello di fotoni", la sottile sottostruttura all'interno dell'ombra che è meno influenzata dalla complessa fisica del disco di accrescimento. Il team di ricerca sottolinea che la combinazione di osservazioni terrestri e spaziali sarà vitale per isolare la pura firma gravitazionale del buco nero dalla "contaminazione" luminosa del gas circostante.

In definitiva, lo studio funge da tabella di marcia cauta ma ottimista per il prossimo decennio di ricerca sui buchi neri. Identificando l'ombra interna come una firma diretta dell'orizzonte degli eventi, i ricercatori hanno fornito una nuova metrica per i test di gravità di precisione. Man mano che perfezioneremo i nostri modelli di flussi di accrescimento spessi e sottili, la nostra capacità di utilizzare M87* e Sagittarius A* come laboratori per il regime di campo forte della Relatività Generale non farà che crescere. La strada per decodificare gli oggetti più misteriosi del cosmo risiede nelle sottili ombre che proiettano, a patto di essere abbastanza attenti da tenere conto della luce che li definisce.