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 addentrarsi nell’ambiente che circonda gli oggetti più estremi del cosmo, consentendo agli scienziati di studiare i flussi di accrescimento, i getti relativistici e i processi d’emissione di radiazione ad alta energia su scale vicine 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: 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.
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.
«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. Le osservazioni», conclude uno dei coautori dell’articolo, Rocco Lico, ricercatore all’Istituto di radioastronomia dell’Inaf, « 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».
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