Ricordate le due “fotografie” di buchi neri? Le due immagini dell’ombra dell’orizzonte degli eventi dei buchi neri supermassicci al centro della galassia M87 e della nostra Via Lattea, realizzate dall’Event Horizon Telescope (Eht) e rese pubbliche, rispettivamente, nel 2019 e nel 2022? Osservazioni rivoluzionarie, grazie alle quali è stato possibile vedere per la prima volta ciò che circonda gli oggetti più estremi del cosmo, vicino all’orizzonte degli eventi – il confine oltre il quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire.
Essendo però osservazioni a singola frequenza – dunque “a un solo colore” – quelle immagini riescono sì a mostrare l’aspetto del buco nero, ma poco possono dirci sui processi in atto attorno a esso, come per esempio i flussi di accrescimento, i getti relativistici e i meccanismi d’emissione di radiazione ad alta energia. Per questo occorre una combinazione di osservazioni a frequenze diverse, così da consentire agli astronomi di determinare le condizioni fisiche del plasma attorno al buco nero e i processi che generano la radiazione osservata. E passare così dall’osservare un buco nero al comprenderne il funzionamento.
Rocco Lico (sx) e Ru-Sen Lu (dx), coautori dello studio su M87* pubblicato ieri su ApJL. Crediti: Inaf
Ebbene, è di ieri la pubblicazione di The Astrophysical Journal Letters dei risultati del primo studio spettrale a doppia frequenza del buco nero di M87 – studio guidato dall’Osservatorio astronomico di Shanghai (Accademia cinese delle scienze) e condotto insieme all’Istituto nazionale di astrofisica. Doppia frequenza, dunque doppio “colore”. In questo caso, il “blu” (la frequenza più elevata) è rappresentato dai dati a 1.3 mm (230 GHz) raccolti dalle antenne di Eht, mentre il “rosso” (la frequenza più bassa) lo forniscono i dati a 3.5 mm (86 GHz) acquisiti attraverso la rete Global mm Vlbi Array (Gmva).
Disponendo di “immagini” a due diverse lunghezze d’onda, gli autori dello studio sono stati in grado di produrre una mappa, per la regione attorno al buco nero di M87, che riporta per ogni punto il cosiddetto indice spettrale: vale a dire, nel caso in esame, il “rapporto” fra il flusso a frequenza più elevata e quello a frequenza più bassa. Detto altrimenti, per ogni pixel di cielo osservato, il “rapporto” fra il valore rilevato da Eht e quello rilevato da Gmva. Rapporto fra virgolette, perché in realtà non si tratta esattamente del rapporto, ma di un indice, appunto, che assume valore positivo laddove il flusso aumenta con la frequenza (dunque Eht mostra un segnale più intenso di Gmva) e negativo dove, invece, il flusso è più basso a frequenze più elevate (dunque Gmva mostra un segnale più intenso di Eht).
Il risultato lo possiamo vedere nei due grafici qui sotto, che mostrano la mappa (a sinistra) e l’andamento in funzione della distanza dal centro del buco nero (a destra) dell’indice spettrale. Ed è un risultato preziosissimo, perché a diversi valori di indice spettrale corrispondono precisi processi fisici in atto nella regione osservata.
Mappa dell’indice spettrale con risoluzione spaziale del buco nero di M87 su scale dell’orizzonte degli eventi (a sinistra) e profilo radiale dell’indice spettrale in funzione della distanza dal buco nero (a destra). Crediti: Shan-Shan Zhao et al., ApJL, 2026
«Ottenendo la prima distribuzione dell’indice spettrale risolta spazialmente del buco nero di M87, possiamo caratterizzare quantitativamente come cambiano le proprietà della radiazione nella regione circostante il buco nero», spiega la prima autrice dell’articolo, Shan-Shan Zhao, ricercatrice all’Osservatorio astronomico di Shanghai dell’Accademia cinese delle scienze. «Questo ci permette di esplorare direttamente come variano le proprietà del plasma su scale dell’orizzonte degli eventi e fornisce nuovi indizi per comprendere i flussi di accrescimento e la formazione dei getti».
I risultati mostrano che le proprietà della radiazione che circonda il buco nero variano sistematicamente con la distanza dal buco nero, come rivelato appunto dalla distribuzione spaziale dell’indice spettrale. In particolare, nella regione più interna l’indice spettrale è positivo e aumenta leggermente con il raggio, suggerendo un effetto significativo del cosiddetto autoassorbimento di sincrotrone. Al contrario, allontanandosi dal buco nero l’indice spettrale diminuisce e passa da valori positivi a valori negativi, indicando una transizione verso un regime di emissione più “trasparente” – optically thin, in gergo astronomico. Ed è importante notare, sottolineano gli autori dello studio, come questa transizione – evidenziata nel grafico a destra dal rettangolo verticale arancione – avvenga a una distanza di circa 30 microsecondi d’arco dal buco nero, in linea con il raggio della struttura ad anello – in blu nel grafico a sinistra – osservata a 3.5 mm.
«Questo risultato suggerisce che la struttura ad anello visibile nelle immagini dei buchi neri non sia semplicemente una caratteristica della morfologia dell’emissione, ma sia strettamente connessa allo stato fisico del plasma in prossimità dell’orizzonte degli eventi», spiega uno dei coautori dell’articolo, Rocco Lico, ricercatore all’Istituto di radioastronomia dell’Inaf. «Le osservazioni forniscono nuovi vincoli sui modelli dei flussi di accrescimento dei buchi neri, dei getti relativistici e dei processi di radiazione su scala dell’orizzonte degli eventi».
E poiché, si sa, l’appetito vien mangiando, ora che hanno sperimentato i vantaggi delle due frequenze, i radioastronomi già pregustano quel che potranno fare con tre. «L’Eht di nuova generazione (ngEht) estenderà ulteriormente questi sforzi fino a 345 GHz con stazioni aggiuntive e larghezze di banda più ampie», dice a questo proposito un’altra delle coautrici dello studio, Sijia Peng, fino a poco tempo fa ricercatrice postdoc all’Osservatorio astronomico di Shanghai e oggi in Italia, all’Inaf, nel gruppo di Lico. «Guardando ancora più avanti, le missioni Vlbi spaziali come il Black Hole Explorer (Bhex), Sharp/Ehi e Millimetron collaboreranno con gli array terrestri per fornire immagini senza precedenti dei buchi neri e dei loro ambienti».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “Spatially Resolved Spectral Properties of M87* on Event Horizon Scales”, di Shan-Shan Zhao, Ru-Sen Lu, Rocco Lico, Yuh Tsunetoe, e Sijia Peng