Ecco la prima immagine di un buco nero (2.0)

POLARIZZAZIONE E CAMPI MAGNETICI

L’immagine del buco nero più famoso mostra, dopo due anni di studio, le linee di potenti campi magnetici attorno ad esso. La polarizzazione della luce, legata a tali campi, apre alla fisica ulteriori scenari sulla scienza dei buchi neri

Nel 2019 il mondo scientifico ha perso un battito, dopo aver mostrato la prima immagine mai scattata ad un buco nero.

A distanza di due anni un secondo evento epocale permetterà di addentrarci sempre di più nella conoscenza di questi oggetti misteriosi: si è reso palese un forte campo magnetico, capace di polarizzare la luce che il buco nero si lascia sfuggire.

L’immagine che avete tutti presente di tale oggetto ha già fatto la storia ed è ora resa più nitida grazie a questa scoperta, vediamo insieme i dettagli.

Indice:

 

La Collaborazione

Il 24 Marzo 2021 è stato pubblicato un articolo che può sembrare la naturale prosecuzione del lavoro precedente, ma sono stati necessari anni per ottenere questi risultati.

La collaborazione del mondo scientifico portò nel 2019 ad una cooperazione di 8 radio-telescopi sparsi sulla Terra, per la creazione di un unico strumento virtuale delle dimensioni del nostro pianeta. Il progetto è denominato EHT (Event Horizion Telescope) e coinvolge oltre 300 scienziati provenienti da ogni continente.

La risoluzione ottenuta con questo espediente è equivalente a quella che sarebbe necessaria per misurare dalla Terra una carta di credito posta sulla superficie della Luna. Questa configurazione ha permesso al team di osservare direttamente l’ombra del buco nero e l’anello di luce polarizzata attorno ad esso, regalandoci immagini sempre più dettagliate.

L’oggetto osservato fin dal 2019 è la galassia M87, situata ad oltre 16 Mpc da noi[1], nella costellazione della Vergine. Nello specifico, l’interesse di EHT si è concentrato sul buco nero supermassiccio posto al centro di M87, con una massa pari a 6 miliardi di nostri Soli ed è proprio la sua immagine ad essere un’icona per la scienza.

Proprio ieri tale immagine ha subito un netto miglioramento, a causa dello studio condotto sui potenti campi magnetici rilevati attorno al buco nero.

Immagini del buco nero a confronto. A sinistra la più famosa del 2019, a destra la nuova: si notano le linee che indicano la direzione della polarizzazione. Fonte: INAF

La Scoperta Epocale

Si spera sia solo un ulteriore tassello e non un punto di arrivo: ci si è accorti che la luce proveniente dal buco nero in alcune zone è polarizzata (rimando al prossimo capitolo per chi volesse dettagli). Ciò sussiste in presenza di potenti campi magnetici che circondano l’orizzonte degli eventi.

Perché è così importante? Il campo magnetico è intimamente collegato alla temperatura e alla densità di tali oggetti e ci aiuterebbe a rispondere a domande ancora irrisolte: è una fonte di informazioni essenziale.

Per esempio, il fatto stesso che ingenti quantità di particelle riescano a sfuggire al potente campo gravitazionale del buco nero ha fin ora avuto spiegazioni solo ipotetiche. Le immagini ci raccontano di violenti getti di materia ed energia che vengono scagliati dal buco nero in zone dell’universo addirittura esterne alla galassia stessa: transizioni energetiche di tale portata generano radiazione elettromagnetica visibile dai nostri telescopi. L’oggetto centrale è come se fosse un faro, che scaglia coni di luce lontano dal suo nucleo.

Tali fenomeni possono trovare una spiegazione plausibile nella potenza di campi magnetici che appunto riescono a far sfuggire particelle altamente relativistiche, prima che possano venire ingurgitate dal buco nero.

Il modello e l’osservazione

Con questa nuova immagine, gli scienziati sono finalmente riusciti a guardare per la prima volta nella regione appena fuori dal buco nero dove sta avvenendo questa interazione tra la materia che confluisce e quella che viene espulsa.

Confronto tra l’immagine ottenuta (a sinistra) e un modello teorico, una serie di transizioni che meglio riproducono i dati. Fonte: INAF

Solamente i modelli teorici con gas fortemente magnetizzati possono spiegare ciò che si vede sull’orizzonte degli eventi del buco nero: partendo dall’osservazione della luce polarizzata possiamo ricostruire tutto questo. Citando una delle coautrici dello studio, Sara Issaoun:

“La luce polarizzata ci dice dei campi magnetici vicino al buco nero, quanto sono forti e come collegano l’accrescimento del buco nero (abitudini alimentari) e il getto di plasma che è in grado di espellere dall’intera galassia”.

E ancora:

“I campi magnetici sono un elemento chiave per comprendere i processi gassosi e le abitudini alimentari dei buchi neri, e questa è la prima volta che siamo in grado di vederli in gioco così vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero”.

Propongo di seguito un video esplicativo molto dettagliato, ma divulgativo sulla scoperta:

Video dettagliato sulla scoperta al centro di M87. Fonte: INAF, Youtube

La Polarizzazione

Il fenomeno è legato alla luce, di cosa si tratta? La luce è un’onda elettromagnetica (si comporta anche in modo discreto, come se fosse materia, per anni si è parlato del dualismo onda-corpuscolo).

Un’onda è una grandezza che può essere espressa in termini di ampiezza della stessa, di intensità, di distanza tra due “creste” durante la sua oscillazione. Pensate di gettare un sasso in uno stagno: esso genera una serie di increspature nell’acqua, appunto delle onde, tanto più intense ed oscillanti tanto è più forte il nostro lancio.

A noi interessa questa oscillazione: essa può essere descritta da un vettore che varia nel tempo. Quando la cresta è alta, il vettore sarà una freccia che punta verso l’alto, viceversa, quando si ha una depressione durante il moto, verso il basso.

La luce diventa polarizzata quando passa attraverso determinati filtri: è ciò che accade, per esempio, quando attraversa le lenti degli occhiali da sole, i quali riducono i riflessi e l’abbagliamento.

 

La polarizzazione lineare

Non è così semplice, solitamente la luce è descritta da un insieme di vettori che puntano in direzioni diverse generando un po’ di confusione: si dice che la luce normalmente è non polarizzata. In pratica non c’è una direzione privilegiata nell’oscillazione del vettore dell’onda.

Quest’onda può essere scomposta in due oggetti ortogonali tra loro, ragionando in 3D: il campo elettrico e il campo magnetico con i propri rispettivi vettori d’onda. Ne prendiamo a campione uno dei due per descrivere il fenomeno, grazie alle immagini seguenti.

Se questa luce dovesse passare attraverso un filtro apposito, quest’ultimo sarebbe in grado di bloccare la radiazione (e dunque anche la sua intensità, rifacendoci agli occhiali da sole) che non abbia un vettore nella direzione indotta dal filtro Polaroid.

Dunque la luce uscente sarebbe descritta da un campo, il cui vettore d’onda giace in un piano ortogonale alla direzione di propagazione e che sarebbe costretto ad oscillare unicamente in questo piano: è la polarizzazione lineare.

Rappresentazione della polarizzazione lineare. Fonte: Chimicamo

Polarizzazione e M87

La polarizzazione lineare non necessariamente ha un vettore diretto verticalmente, l’importante è che giaccia nel piano perpendicolare alla propagazione e che oscilli lungo quell’unica direzione.
Se invece l’oscillazione del vettore non è relegata ad una direzione, ma copre una superficie 2D in quel piano, otteniamo la polarizzazione ellittica e quella circolare.

L’effetto finale è che la lineare descriverà una linea curva, mentre con le altre due si forma una spirale o un’elica, tenendo conto del movimento dell’onda stessa.

Per comprendere meglio, mostro un’immagine esemplificativa della polarizzazione circolare.

Rappresentazione della polarizzazione circolare. Fonte: Dreamstime

 

Ancora, una riassuntiva delle possibili polarizzazioni.

 

Rappresentazione delle possibili polarizzazioni. Fonte: UniPV

 

Il punto fondamentale è che l’osservazione di una polarizzazione, ovvero di una direzione privilegiata del vettore d’onda, è conseguente ad un fenomeno in grado di causarla, come se ci fosse il filtro Polaroid.

Un fenomeno analogo accade quando la luce attraversa regioni molto calde dello spazio che sono permeate dai campi magnetici. Siamo riusciti ad affinare la visione della regione intorno al buco nero di M87 studiando la luce proveniente: in particolare, l’intensità e l’orientazione della polarizzazione hanno permesso di mappare le linee del campo magnetico presenti sul bordo interno del buco nero.

Lascio anche un’immagine finale, che riporta la comune esperienza dell’utilizzo di un Polaroid per filtrare la luce: esso avrà un’efficienza diversa in base all’orientazione che gli diamo.

Utilizzo di un filtro Polaroid. Fonte: FotografarePerStupire

Fonti e note:

Per i più esperti, propongo il link che rimanda all’articolo originale pubblicato, da poter scaricare.

Decisamente più semplici invece i seguenti collegamenti, a cui poter trovare ulteriori dettagli:

1 – INAF

2 – CNN

3 – Astronomy

[1] Distanza M87: se preferite più di 50 milioni di anni luce o anche 5 * 1020 km. Addirittura oltre 3000 miliardi di volte la distanza Terra-Sole

Informazioni su Edoardo Feudatari 10 Articoli
Sono un ragazzo di Padova, nato a Mantova nel 1993. Eterno studente, laureato in Psicologia e Astronomia, coltivo interessi in molti campi. Mi ritengo una persona poliedrica, un modo edulcorato per nascondere un curriculum schizofrenico che spazia dalla musica, allo sport, al bartending, ai motori, all'arbitraggio. Le molteplici esperienze mi hanno permesso di entrare in contatto con ambienti molto diversi e persone di ogni età e contesto, permettendomi di affinare adattabilità ed elasticità, problem solving, gestione dello stress e collaborazione in team anche con ruoli di responsabilità

Ti ricordiamo che per commentare devi essere registrato. Iscriviti al Forum di Astronomia.com ed entra a far parte della nostra community. Ti aspettiamo! : )

Commenta per primo!

Aggiungi un Commento