Il Telescopio Event Horizon (EHT), una collaborazione di telescopi radioastronomici dislocati in tutto il mondo che operano in sincronia per ottenere immagini di buchi neri supermassivi, ha raggiunto una risoluzione senza precedenti. In futuro, questo traguardo potrebbe portare a immagini del cerchio di luce attorno all’orizzonte degli eventi di un buco nero con una nitidezza superiore del 50%, rivelando dettagli mai visti prima e generando filmati che mostrano come i buchi neri cambiano mentre ruotano. L’EHT si basa sul principio dell’"interferometria a lungo baso", nota come VLBI. Questo metodo implica l’utilizzo di una rete di telescopi distribuiti su vari continenti che osservano lo stesso oggetto, combinando i loro dati. Maggiore è la distanza tra i due telescopi più lontani della rete, maggiore è la risoluzione; ulteriormente, più telescopi ci sono nella rete, maggiore è la sensibilità. L’EHT è riuscito a catturare immagini del buco nero al centro della nostra galassia, Sagittarius A, così come del buco nero nel centro della galassia ellittica M87, M87 — cosa che rappresenta le prime due immagini di buchi neri mai scattate dall’umanità — grazie alla sua enorme baso. Immaginate la baso come l’apertura del telescopio. Il telescopio più a sud dell’EHT è il Telescopio del Polo Sud, mentre la stazione più a nord è il Telescopio della Groenlandia, il che significa che la rete si estende quasi dal polo nord al polo sud del pianeta.
Oltre al fattore della baso, gioca un ruolo importante anche la lunghezza d’onda, con lunghezze d’onda più basse che raggiungono risoluzioni maggiori. Le storiche immagini del buco nero al centro della nostra galassia e di M87 sono state catturate a una lunghezza d’onda radio di 1.3mm. A questa lunghezza, il "cerchio fotonico", ovvero il toro di emissione attorno all’orizzonte degli eventi con l’ombra scura del buco nero al suo interno, appare sfocato — in particolare nel caso di Sagittarius A*. Questo accade perché l’emissione radio proveniente dal buco nero è parzialmente dispersa da gas ionizzati nel mezzo interstellare tra noi e l’oggetto stesso. Ciò provoca un’appannamento della luce su una scala angolare, comparabile alla risoluzione dell’EHT a 1.3mm. L’effetto di appannamento risulterebbe notevolmente meno evidente a lunghezze d’onda più corte.
In questo senso, per la prima volta, l’EHT è riuscito a condurre VLBI a una lunghezza d’onda più corta di 0.87mm. "Con l’EHT, abbiamo visto le prime immagini di buchi neri rilevando onde radio a una lunghezza d’onda di 1.3mm, ma il cerchio luminoso che abbiamo osservato, formato dalla curvatura della luce nella gravità del buco nero, appariva ancora sfocato perché eravamo ai limiti assoluti della nitidezza delle immagini," ha dichiarato Alexander Raymond, del Jet Propulsion Laboratory della NASA, in una dichiarazione. "A 0.87mm, le nostre immagini saranno più nitide e dettagliate, il che a sua volta rivelerà probabilmente nuove proprietà, sia quelle già previste che alcune inaspettate."
Raggiungere VLBI a 0.87mm non è affatto semplice, per questo non era mai stato fatto prima. Una delle difficoltà riguarda il vapore acqueo presente nell’atmosfera, il quale tende ad assorbire le onde radio a questa lunghezza d’onda corta, quindi le condizioni meteo devono essere molto secche in tutti i siti di osservazione dell’EHT.
Le località degli osservatori che hanno partecipato all’innovativo esperimento di interferometria a lungo baso del Telescopio Event Horizon a una lunghezza d’onda corta di 0.87mm. (Crediti immagine: ESO/M. Kornmesser)
Per quanto riguarda i siti di osservazione, questo specifico esperimento VLBI ha coinvolto sia l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) che l’Atacama Pathfinder Experiment in Cile, l’IRAM (Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range) con il telescopio da 30 metri in Spagna, il Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Francia, il Submillimeter Array (SMA) sul Mauna Kea alle Hawaii e il Telescopio della Groenlandia, tutte stazioni per l’EHT. Indagando numerosi quasar a 0.87mm, hanno raggiunto una risoluzione di 19 microarcosecondi. Quanto è piccolo un microarcosecondo di 19? Il cielo è diviso in 360 gradi, con ciascun grado composto da 60 arcminuti, e ogni arcminuto è ulteriormente suddiviso in 60 arcosecondi. Un microarcosecondo è un milionesimo di arcosecondo, quindi 19 microarcosecondi equivale a poter risolvere un tappo di bottiglia sulla superficie della Luna. È la massima risoluzione di un’immagine astronomica mai ottenuta esclusivamente dalla superficie della Terra (anche se combinazioni di telescopi terrestri e spaziali hanno raggiunto risoluzioni simili in passato). Raymond e i suoi colleghi credono che l’EHT potrebbe arrivare a risolvere fino a 13 arcosecondi quando opera a piena capacità (ad esempio, includendo il Telescopio del Polo Sud, che non è stato coinvolto nel test a 0.87mm).
L’immagine del Telescopio Event Horizon del nostro buco nero supermassivo nella Via Lattea, a una lunghezza d’onda di 1.3mm. (Crediti immagine: EHT Collaboration)
L’intento ora è di applicare questa innovazione mentre si acquisiscono nuove immagini di Sagittarius A* e del buco nero supermassivo in M87. "Il momento è giunto, come dimostrano le nuove rilevazioni, per passare a 0.87mm," ha affermato Remo Tilanus dell’Università dell’Arizona, che è il Manager delle Operazioni dell’EHT.
La maggiore risoluzione non solo affinerà l’immagine del cerchio di fotoni attorno a ciascun buco nero, ma rappresenterà più precisamente la loro forma e dimensione, consentendo stime più accurate delle velocità di rotazione e dell’angolo rispetto a noi. Ciò permetterà anche di osservare buchi neri supermassivi in altre galassie, e di avvicinarsi alla base di getti relativistici che fuoriescono da buchi neri attivi come nei quasar. Questo potrebbe fornire ulteriori risposte su come il campo magnetico di un buco nero produce getti che si muovono a quasi la velocità della luce e si estendono nello spazio profondo per migliaia di anni luce.
Una simulazione che mostra la differenza di nitidezza tra osservazioni di un buco nero a 1.3mm e 0.87mm. (Crediti immagine: Christian M. Fromm, Università Julius-Maximilian di Würzburg)
Oltre alla capacità di operare a una lunghezza d’onda più corta, sono in atto piani per importanti modifiche all’EHT, in un programma chiamato "next generation EHT," o "ngEHT" per abbreviare. Questo preverrà l’aggiunta di nuovi telescopi all’infrastruttura attuale dell’EHT situata in tutto il mondo, ottimizzati per fornire le maggiori basi e sensibilità, oltre a migliorare le strutture dei detector presso i membri esistenti della collaborazione affinché possano osservare buchi neri a più lunghezze d’onda tra 3mm e 0.87mm simultaneamente.
In definitiva, si prevede che la prossima generazione dell’EHT aumenterà la nitidezza e la chiarezza delle immagini dei buchi neri di un fattore 10, possibilmente consentendo filmati ad alta risoluzione che mostrano i cambiamenti nel cerchio di fotoni attorno all’orizzonte degli eventi di un buco nero nel tempo mentre questo ruota e accresce più materia dallo spazio circostante. "Queste rilevazioni di segnali VLBI a 0.87mm sono rivoluzionarie poiché aprono una nuova finestra di osservazione per lo studio dei buchi neri supermassivi," ha affermato Thomas Krichbaum del Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germania in una dichiarazione rilasciata dall’Osservatorio Astronomico Europeo Meridionale.
I risultati di questo esperimento VLBI innovativo sono stati pubblicati il 27 agosto su The Astronomical Journal.