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L’anello fotonico: gli astrofisici risolvono una firma fondamentale della gravità attorno a un buco nero

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Quando, nel 2019, gli astronomi hanno rivelato la prima immagine storica di un buco nero – raffigurante un nucleo oscuro circondato da un’aura infuocata di materiale che cadeva verso di esso – credevano che immagini e approfondimenti ancora più ricchi fossero in attesa di essere estratti dai dati.

Le simulazioni avevano previsto l’esistenza di un sottile e luminoso anello di luce, nascosto dietro al diffuso bagliore arancione, creato dai fotoni lanciati intorno alla parte posteriore del buco nero dalla sua intensa gravità.

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L’astrofisico Avery Broderick ha guidato un team di ricercatori che ha utilizzato sofisticati algoritmi di imaging per “rimasterizzare” essenzialmente le immagini originali del buco nero supermassiccio al centro della galassia M87.

Abbiamo spento i riflettori per vedere le lucciole“, ha detto Broderick, un membro associato della facoltà del Perimeter Institute e dell’Università di Waterloo. “Siamo stati in grado di fare qualcosa di profondo: risolvere una fondamentale firma di gravità attorno a un buco nero“.

In sostanza, “staccando” gli elementi delle immagini, afferma il coautore Hung-Yi Pu, un assistente professore presso la National Taiwan Normal University, “l’ambiente attorno al buco nero può quindi essere chiaramente rivelato“.

A tal fine, il team di ricercatori ha utilizzato un nuovo algoritmo di imaging all’interno del framework di analisi THEMIS dell’Event Horizon Telescope (EHT) per isolare ed estrarre la caratteristica caratteristica dell’anello dalle osservazioni originali del buco nero M87. Sono stati anche in grado di rilevare l’impronta rivelatrice di un potente getto che esplodeva verso l’esterno dal buco nero.

Le scoperte degli scienziati confermano le previsioni teoriche e offrono nuovi modi per esplorare questi oggetti misteriosi, che si pensa risiedano nel cuore della maggior parte delle galassie.

I buchi neri sono stati a lungo considerati invisibili fino a quando gli scienziati non hanno potuto usare l’EHT, una rete di telescopi che copre il globo. Utilizzando otto osservatori su quattro continenti, tutti puntati nello stesso punto nel cielo e collegati tra loro con tempi di nanosecondi; i ricercatori EHT hanno osservato due buchi neri nel 2017.

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La collaborazione EHT ha svelato per la prima volta il buco nero supermassiccio in M87 nel 2019. Poi, nel 2022, ha rivelato il buco nero relativamente piccolo ma tumultuoso nel cuore della nostra galassia, la Via Lattea, chiamato Sagittario A* (o Sgr A*). I buchi neri supermassicci occupano il centro della maggior parte delle galassie, racchiudendo una straordinaria quantità di massa ed energia in un piccolo spazio. Il buco nero M87, ad esempio, è due quadrilioni (cioè un due seguito da 15 zeri) volte più massiccio della Terra.

Sebbene gli scienziati dell’immagine M87 svelata nel 2019 siano stati un punto di riferimento, gli astronomi hanno pensato di poter affinare l’immagine e raccogliere nuove intuizioni lavorando in modo più intelligente, non più difficile. Hanno applicato nuove tecniche software per ricostruire i dati originali del 2017 alla ricerca di fenomeni che, secondo teorie e modelli, erano in agguato sotto la superficie. La nuova immagine risultante raffigura l’anello fotonico, composto da una serie di sottoanelli sempre più nitidi, che il team ha poi impilato per ottenere l’immagine completa.

L’approccio che abbiamo adottato prevedeva di sfruttare la nostra comprensione teorica dell’aspetto di questi buchi neri per costruire un modello personalizzato per i dati EHT“, ha affermato Dominic Pesce, un membro del team con sede presso il Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian. “Questo modello scompone l’immagine ricostruita nei due pezzi a cui teniamo di più, in modo che possiamo studiare entrambi i pezzi singolarmente anziché mescolati insieme“.

Il risultato è stato possibile perché l’EHT è uno “strumento computazionale nel suo cuore“, ha affermato Broderick, che detiene la sedia John Archibald Wheeler della famiglia Delaney presso il Perimeter. “Sviluppi algoritmici all’avanguardia ci hanno permesso di sondare le caratteristiche chiave dell’immagine, restituendo il resto nella risoluzione nativa dell’EHT“.

Riferimento: “The Photon Ring in M87*” di Avery E. Broderick, Dominic W. Pesce, Roman Gold, Paul Tiede, Hung-Yi Pu, Richard Anantua, Silke Britzen, Chiara Ceccobello, Koushik Chatterjee, Yongjun Chen, Nicholas S. Conroy, Geoffrey B. Crew, Alejandro Cruz-Osorio, Yuzhu Cui, Sheperd S. Doeleman, Razieh Emami, Joseph Farah, Christian M. Fromm, Peter Galison, Boris Georgiev, Luis C. Ho, David J. James, Britton Jeter, Alexandra Jimenez-Rosales, Jun Yi Koay, Carsten Kramer, Thomas P. Krichbaum, Sang-Sung Lee, Michael Lindqvist, Ivan Marti-Vidal, Karl M. Menten, Yosuke Mizuno, James M. Moran, Monika Moscibrodzka, Antonios Nathanail, Joey Neilsen, Chunchong Ni, Jongho Park, Vincent Pietu, Luciano Rezzolla, Angelo Ricarte, Bart Ripperda, Lijing Shao, Fumie Tazaki, Kenji Toma, Pablo Torne, Jonathan Weintroub, Maciek Wielgus, Feng Yuan,Shan-Shan Zhao e Shuo Zhang, 16 agosto 2022,Il diario astrofisico .
DOI: 10.3847/1538-4357/ac7c1d

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