La prima foto di un buco nero (il buco nero m87 precisamente) ha sconvolto il mondo nel 2019, quando l’Event Horizon Telescope (EHT) ha pubblicato un’immagine del buco nero supermassiccio al centro della galassia M87, nota anche come Virgo A o NGC 4486, situata nella costellazione della Vergine; questo buco nero sta sorprendendo nuovamente gli scienziati con un flare di raggi gamma a teraelettronvolt, che emette fotoni miliardi di volte più energetici della luce visibile.
Un’esplosione così intensa non era stata osservata da oltre un decennio e offre importanti indizi su come le particelle, come elettroni e positroni, vengano accelerate negli ambienti estremi vicino ai buchi neri.
Il Buco Nero M87 e cosa “nasconde”
Il getto che emerge dal centro di M87 è sette ordini di grandezza (decine di milioni di volte) più grande dell’orizzonte degli eventi, ovvero la superficie del buco nero M87 stesso e l’intenso lampo di emissione ad alta energia ha superato di gran lunga le energie tipicamente rilevate dai radiotelescopi nella regione del buco nero M87; il flare è durato circa tre giorni e probabilmente è emerso da una regione di dimensioni inferiori a tre giorni-luce, ovvero poco meno di 15 miliardi di miglia.
Un raggio gamma è un pacchetto di energia elettromagnetica, noto anche come fotone. I raggi gamma possiedono la massima energia tra tutte le lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico e sono prodotti negli ambienti più caldi ed energetici dell’universo, come le regioni attorno ai buchi neri. I fotoni del flare di raggi gamma del buco nero M87 hanno livelli energetici che raggiungono alcuni teraelettronvolt. I teraelettronvolt vengono usati per misurare l’energia delle particelle subatomiche e sono equivalenti all’energia di una zanzara in movimento.
La struttura di codesto Buco Nero M87
Si tratta di un’enorme quantità di energia per particelle che sono molte trilioni di volte più piccole di una zanzara; i fotoni con diversi teraelettronvolt di energia sono immensamente più energetici rispetto ai fotoni che costituiscono la luce visibile.
Quando la materia cade verso un buco nero, forma un disco di accrescimento in cui le particelle vengono accelerate a causa della perdita di energia potenziale gravitazionale; alcune particelle vengono persino deviate lontano dai poli del buco nero in un potente flusso, chiamato “getti”, guidato da intensi campi magnetici.
Questo processo è irregolare, causando spesso un’improvvisa esplosione di energia nota come “flare.”; tuttavia, i raggi gamma non possono penetrare l’atmosfera terrestre.
Quasi 70 anni fa, i fisici scoprirono che i raggi gamma possono essere rilevati da terra osservando la radiazione secondaria generata quando colpiscono l’atmosfera.
Il meccanismo del Buco Nero M87? Ancora non è chiaro
“Non comprendiamo ancora pienamente come le particelle vengano accelerate vicino al buco nero o all’interno del getto“, ha dichiarato Weidong Jin, ricercatore post-dottorale presso l’UCLA e autore corrispondente di un articolo che descrive i risultati pubblicato da un team internazionale su Astronomy & Astrophysics. “Queste particelle sono così energetiche che viaggiano quasi alla velocità della luce, e vogliamo capire dove e come acquisiscono tale energia. Il nostro studio presenta i dati spettrali più completi mai raccolti per questa galassia, insieme a modelli che fanno luce su questi processi.”
Jin ha contribuito all’analisi della parte del dataset con l’energia più alta, chiamata raggi gamma di altissima energia, raccolta da VERITAS (uno strumento terrestre per raggi gamma situato presso il Fred Lawrence Whipple Observatory nel sud dell’Arizona.
L’UCLA ha svolto un ruolo fondamentale nella costruzione di VERITAS) acronimo di Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, partecipando allo sviluppo dell’elettronica per leggere i sensori del telescopio e allo sviluppo del software per analizzare i dati del telescopio e simulare le sue prestazioni; questa analisi ha aiutato a rilevare il flare, come indicato da grandi variazioni di luminosità che si discostano significativamente dalla variabilità di base.
Oltre due dozzine di strutture osservative di alto profilo, sia terrestri che spaziali, tra cui il Fermi-LAT della NASA, il Telescopio Spaziale Hubble, NuSTAR, Chandra e Swift, insieme ai tre più grandi array di telescopi Cherenkov atmosferici (VERITAS, H.E.S.S. e MAGIC), hanno partecipato a questa seconda campagna EHT e multi-lunghezza d’onda nel 2018. Questi osservatori sono sensibili ai fotoni X, nonché ai raggi gamma ad alta e altissima energia.
Uno dei set di dati chiave utilizzati in questo studio è chiamato distribuzione spettrale dell’energia.
Lo spettro di distribuzioni dell’energia del Buco Nero M87
“Lo spettro descrive come l’energia proveniente da sorgenti astronomiche, come M87, è distribuita tra le diverse lunghezze d’onda della luce,” ha spiegato Jin. “È come scomporre la luce in un arcobaleno e misurare quanta energia è presente in ogni colore. Questa analisi ci aiuta a scoprire i diversi processi che guidano l’accelerazione delle particelle ad alta energia nel getto del buco nero supermassiccio.”
Ulteriori analisi degli autori dell’articolo hanno rilevato una variazione significativa nella posizione e nell’angolo dell’anello, noto anche come orizzonte degli eventi, e nella posizione del getto e questo suggerisce che una relazione fisica tra le particelle e l’orizzonte degli eventi, su scale di dimensioni diverse, influenzi la posizione del getto.
“Una delle caratteristiche più sorprendenti del buco nero di M87 è un getto bipolare che si estende per migliaia di anni luce dal nucleo“, ha detto Jin. “Questo studio ha offerto un’opportunità unica per indagare l’origine dell’emissione di raggi gamma ad altissima energia durante il flare e per identificare la posizione in cui le particelle responsabili del flare vengono accelerate. I nostri risultati potrebbero contribuire a risolvere un dibattito di lunga data sulle origini dei raggi cosmici rilevati sulla Terra.”
