Buchi Neri Supermassicci

Scrutando la scogliera dell'infinito: la prima immagine dell'orizzonte degli eventi di un buco nero

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Per la prima volta nella storia umana, gli astronomi hanno combinato la potenza dei telescopi di tutto il nostro pianeta per creare un'immagine che mostra l'orizzonte degli eventi di un buco nero.

L'array raccolto è chiamato il telescopio Event Horizon , e nel corso di quattro notti nell'aprile 2017, ha osservato il buco nero supermassiccio nel cuore di M87 , una galassia ellittica nell'ammasso della Vergine, a 55 milioni di anni luce dalla Terra.

Quello che hanno visto è, beh, sbalorditivo:



La primissima immagine dell'orizzonte degli eventi di un buco nero supermassiccio. Questo mostra la sagoma di un buco nero con una massa 6,5 ​​miliardi di volte quella del Sole, situato nel nucleo della galassia M87 a 55 milioni di anni luce dalla Terra. Credito: NSFIngrandire

La primissima immagine dell'orizzonte degli eventi di un buco nero supermassiccio. Questo mostra la sagoma di un buco nero con una massa 6,5 ​​miliardi di volte quella del Sole, situato nel nucleo della galassia M87 a 55 milioni di anni luce dalla Terra. Credito: NSF

Voglio stare molto attento qui, poiché questa immagine è un po' più complicata di un semplice anello di luce con il buco nero al centro, e la fisica dietro di essa è piuttosto agguerrita.

Per essere chiari, in realtà non stai vedendo il buco nero stesso. Quel buco circolare al centro dell'anello non è il buco nero, ma in realtà un effetto della sua gravità. Viene chiamata l'ombra del buco nero, ma io la considero più come il suo dispositivo di occultamento: la gravità sta piegando la luce dal materiale attorno ad essa, inviandola verso di noi, lasciando uno spazio vuoto dove si trova il buco nero stesso. Forse il modo migliore per descriverlo è come il silhouette della gravità del buco nero.

Questo video dovrebbe darti un'idea dell'effetto:

Per darti un senso di scala, il buco scuro al centro è di circa 40 miliardi chilometri di diametro. In media, Nettuno si trova a circa 5 miliardi di chilometri dal Sole, il che rende questo buco molto, molto più grande del nostro sistema solare.

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Yegad.

Quindi, facciamo un po' indietro.

Un buco nero è un oggetto con gravità molto intensa. La forza di gravità che senti da un oggetto dipende da quanta massa ha e da quanto sei lontano da esso. Se prendi un oggetto grande come il Sole e lo schiacci, la gravità sulla sua superficie diventerà più forte. Ad un certo punto l'oggetto diventa così piccolo che la gravità diventa incredibilmente forte, così forte che nemmeno la luce può sfuggire. Poiché la luce è la cosa più veloce dell'Universo, ciò significa che nulla può sfuggirle. È come un buco infinitamente profondo nello spazio da cui non esce nulla: un buco nero.

Questo potrebbe aiutare: My Episodio di Crash Course Astronomy sui buchi neri :

Quello che ti rimane è una regione sferica nello spazio dove al suo interno nulla può uscire. La superficie di questa sfera, se la si pensa in questo modo, si chiama orizzonte degli eventi (perché ogni evento che accade al suo interno è oltre il tuo orizzonte e non può essere visto). Ma solo fuori da it, la gravità è intensamente forte ma non impossibile. Un fotone, una particella di luce, passando vicino a quel limite ma ancora al di fuori di esso avrà il suo percorso piegato considerevolmente, ma... potere fuga.

La dimensione dell'orizzonte degli eventi dipende dalla massa del buco nero. Se fai i calcoli, calcolati per la prima volta da Einstein all'inizio del 1900, scoprirai che se comprimi il Sole fino a farlo diventare un buco nero, il diametro sarebbe di 6 chilometri. Intendiamoci, il Sole ha un diametro di 1,4 milioni di km ora! Quindi devi creare oggetti incredibilmente piccoli e densi affinché diventino buchi neri.

Ora pensiamo che ogni grande galassia dell'Universo abbia un buco nero supermassiccio al centro, con milioni o addirittura miliardi di volte la massa del Sole. Il via Lattea ne ha uno che è più di 4 milioni di volte la massa del Sole, per esempio.

M87 è un galassia ellittica nel cuore dell'Ammasso della Vergine, un insieme di centinaia di galassie sparse nel cielo tra le costellazioni del Leone e della Vergine. È una galassia enorme, abbastanza luminosa da essere vista usando solo un binocolo, anche se è lontana 55 milioni di anni luce.

È anche un galassia attiva : A differenza del buco nero supermassiccio nella Via Lattea, quello al centro di M87 sta attivamente divorando materia. Il materiale, principalmente gas e polvere, sta cadendo al suo interno, e mentre lo fa forma un disco piatto chiamato disco di accrescimento che inizia appena fuori dall'orizzonte degli eventi e si estende per molti miliardi di chilometri. La velocità con cui ruota dipende dalla sua distanza dall'orizzonte degli eventi; le cose molto vicine si muovono quasi alla velocità della luce, mentre le cose più lontane sono più lente.

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I componenti di base di un buco nero attivo inclusi l'orizzonte degli eventi, il disco di accrescimento e il getto. Credito: ESOIngrandire

I componenti di base di un buco nero attivo inclusi l'orizzonte degli eventi, il disco di accrescimento e il getto. Credito: QUELLO

Poiché il materiale si sfrega, genera attrito e questo a sua volta genera calore. UN quantità di calore. Come un quantità Un sacco. Immagina di sfregarti le mani alla velocità della luce! Il materiale nel disco viene riscaldato a milioni di gradi e le cose calde risplendono ferocemente, emettendo grandi quantità di luce.

Questo è il materiale che vedi nell'immagine dell'Event Horizon Telescope*. Ciò fornisce un bagliore di sfondo intorno al buco nero. Ma la gravità del buco nero lo distorce, piegando il percorso della luce. Luce dalla materia dietro a il buco nero si piega intorno a esso, così possiamo effettivamente vederlo! Più si avvicina al buco nero, più si piega, finché, proprio al contorno dell'orizzonte degli eventi visto dalla Terra, non si vede più luce. Ecco perché quella parte sembra oscura.

Il percorso della luce attorno a un buco nero viene gravemente distorto dalla gravità. In questo diagramma, la Terra è a destra e la luce proveniente dal materiale dietro il buco nero viene piegata verso di noi, lasciando un buco dove si trova il buco nero stesso.Ingrandire

Il percorso della luce attorno a un buco nero viene gravemente distorto dalla gravità. In questo diagramma, la Terra è a destra e la luce proveniente dal materiale dietro il buco nero viene piegata verso di noi, lasciando un buco dove si trova il buco nero stesso. Credito: Nicolle R. Fuller/NSF

Ma aspetta! C'è più!

C'è un effetto chiamato raggi relativistici , causato dal movimento incredibilmente rapido del materiale mentre orbita appena fuori dal buco nero. Se tieni una lampadina davanti a te, la luce si espande in una sfera, in tutte le direzioni, ma se quella lampadina si muove vicino alla velocità della luce, la luce che vediamo emessa da essa sembra essere raggiata, come una torcia , puntato nella direzione in cui si sta muovendo. Questo bizzarro effetto significa che un oggetto diretto verso di te vicino alla velocità della luce appare più luminoso, perché la sua luce è focalizzata verso di te, e qualcosa che si allontana appare più scuro, perché la sua luce è focalizzata lontano da te.

Ora guarda di nuovo l'immagine dell'Event Horizon Telescope. Vedi come le cose nella parte inferiore dell'anello sono più luminose di quelle in alto? Ciò è dovuto alla trasmissione relativistica! Il materiale in basso è diretto verso di noi e più luminoso del materiale in alto, che è diretto lontano da noi. Questo ci dice in quale direzione gira il disco di accrescimento. Anche il buco nero stesso gira, nello stesso senso del disco, quindi questo ci dice anche che dal nostro punto di vista il buco nero gira in senso orario.

Non ti mentirò: quando ho guardato per la prima volta quell'immagine e mi sono reso conto di quello che stavo vedendo, i capelli sulla nuca si sono rizzati.

Gli otto telescopi sparsi sulla Terra che compongono l'Event Horizon Telescope. Credito: Università dell'Arizona / Dan MerroneIngrandire

Gli otto telescopi sparsi sulla Terra che compongono l'Event Horizon Telescope. Credito: Università dell'Arizona / Dan Merrone

La tecnologia che ha permesso agli astronomi di creare questa immagine è incredibile. Hanno usato otto diversi telescopi situati in tutto il mondo - Arizona, Cile, Messico, Spagna, Hawaii e Antartide - per osservare il buco nero di M87. Questi telescopi non vedono la luce ottica come i nostri occhi, ma sono invece sensibili alla luce nella gamma di lunghezze d'onda millimetriche, più vicino alle onde radio che alla luce ottica . Queste onde millimetriche viaggiano alla velocità della luce (perché sono luce) e raggiungono i telescopi in tempi leggermente diversi. Ogni telescopio osserva attentamente queste onde e se combini queste informazioni è come se avessi un telescopio virtuale delle dimensioni dello spazio tra i due osservatori.

Questo è chiamato interferometria . Quando combini le onde viste in due posizioni, interferiscono in modo costruttivo e distruttivo l'una con l'altra, creando frange. È come quando ti sguazzi in una vasca da bagno; le creste delle onde a volte si sommano e schizzano fuori dalla vasca, mentre gli abbeveratoi si combinano per abbassare il livello dell'acqua intorno a te. Quelle combinazioni di creste e avvallamenti sono le frange. In un telescopio interferometrico, le informazioni in tutto ciò che possono essere girate, lavorate all'indietro, per creare un'immagine dell'immagine inviandovi le onde. È un lavoro estremamente complesso e più facile a lunghezze d'onda maggiori, motivo per cui sono stati utilizzati telescopi a onde millimetriche (la luce ottica ha una molto lunghezza d'onda più corta, e quindi l'interferometria ottica è molto più difficile).

Quando è tutto combinato, l'Event Horizon Telescope si comporta come un'unica parabola le dimensioni del nostro pianeta . È così che potrebbe vedere qualsiasi dettaglio nel buco nero M87. Anche se è immenso, 40 miliardi di chilometri di diametro, dista 55 milioni di anni luce, quindi dalla Terra dista solo quattro miliardesimi di un grado in grandezza!

La Luna nel cielo è larga mezzo grado, quindi questa immagine del buco nero è equivalente vedere una biglia sulla Luna . O più precisamente, una biglia nera con un elastico luminoso legato intorno.

Questo è un risultato fenomenale, davvero una nuova era per l'astronomia. Abbiamo visto gli effetti dei buchi neri per decenni: materiale che gli orbita attorno e si riscalda ferocemente; fasci di materia ed energia sparano via da loro mentre il campo magnetico ridicolmente forte nel disco di accrescimento strappa il materiale e lo scaglia via a una velocità tremenda; e persino gli effetti del buco nero supermassiccio della nostra galassia sulle stelle che lo circondano, osservandoli in tempo reale mentre gli girano intorno ad alta velocità.

è bucky in pantera nera

E ci siamo addentrati nella fisica dei buchi neri grazie alle equazioni elaborate da menti geniali nel corso di molti decenni, imparando come distorcono lo spazio e il tempo, cosa succede vicino all'orizzonte degli eventi, cosa succede al di fuori di esso, e talvolta anche elaborando cosa succede dentro.

Ma questa è la prima volta che vediamo l'orizzonte degli eventi di un buco nero. E andrà meglio da qui; verranno aggiunti più telescopi per ottenere una risoluzione migliore, diverse lunghezze d'onda viste spremeranno più informazioni da ciò che stiamo vedendo e, ancora più freddi, più buchi neri – incluso il nostro al centro della Via Lattea – verranno esaminati in questo modo .

I buchi neri sono oscuri, ma il loro futuro è molto luminoso.


* Nota: anche l'Event Horizon Telescope ha osservato il buco nero al centro della nostra galassia, ma è molto più difficile crearne un'immagine a causa della sua variabile, cambiando la sua luminosità su una scala di ore e giorni. Il buco nero M87 è più stabile, quindi più facile da visualizzare. Per un capriccio della geometria, è circa 1.600 volte più grande del nostro buco nero, ma circa 2.000 volte più lontano, quindi sembra più o meno delle stesse dimensioni del nostro dalla Terra.



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