Lo scorso aprile suscitò grande emozione la diffusione della prima immagine di qualcosa che per lungo tempo era stato confinato all’interno delle teorie astruse, il buco nero nel cuore della galassia M87, grande come tutto il nostro sistema solare e con una massa sei miliardi e mezzo di volte maggiore di quella del nostro Sole. L’immagine fu resa possibile dall’uso di un obiettivo virtuale delle dimensioni del pianeta Terra e 4000 volte più potente del telescopio spaziale Hubble.

Secondo gli astronomi, la galassia M87, la galassia più grande e ricca di massa dell’universo circostante a noi, è cresciuta fino alle sue dimensioni attuali grazie alla fusione con un centinaio di galassie più piccole. Lo stesso buco nero al centro di M87 dovrebbe essere arrivato alle attuali dimensioni fondendosi con molti altri buchi neri della sua galassia e quelli delle galassie assorbite.

L’immagine del buco nero che siamo riusciti a vedere (grazie alle enormi dimensioni e la relativa vicinanza) è congelata nel tempo a 55 milioni di anni fa, perché tale è la sua distanza dalla Terra in anni luce. “Rispetto a 55 milioni di anni fa, sulla Terra siamo emersi noi esseri umani, con i nostri miti, culture differenziate, ideologie, lingue e credenze varie“, dice l’astrofisica Janna Levin, della Columbia University.

L’Event Horizon Telescope che ha permesso di visualizzare il buco nero è composto in realtà da 10 telescopi, collegati tra loro attraverso quattro continenti tra Stati Uniti, Messico, Cile, Spagna e Antartide, progettati ognuno per scansionare le onde radio del cosmo. Per alcuni giorni, nell’aprile del 2017, gli osservatori hanno studiato il cielo tutti insieme, creando, di fatto, un gigantesco telescopio quasi delle dimensioni del pianeta.

“Una galassia di medie dimensioni è caduta attraverso il centro di M87, e come conseguenza delle enormi forze di marea gravitazionale, le sue stelle sono ora disperse su una regione che è 100 volte più grande della galassia originale!“, Ha detto Ortwin Gerhard, a capo del gruppo di dinamiche all’Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre. Le osservazioni del luglio 2018 con il Very Large Telescope dell’ESO hanno rivelato che la galassia ellittica gigante ha inghiottito un’intera galassia di medie dimensioni nell’ultimo miliardo di anni.

M87 ospita al suo centro un buco nero supermassiccio che emette due getti di materiale nello spazio quasi alla velocità della luce. Proprio grazie alle sue enromi dimensioni e alla sua luminosità, pur essendo situato a circa 55 milioni di anni luce dalla Terra, M87 è stato oggetto di studio astronomico per oltre 100 anni ed è stato ripreso da moltei telescopi orbitali della NASA, tra cui il Telescopio Spaziale Hubble, l’Osservatorio a raggi X Chandra e NuSTAR.

Nel 1918, l’astronomo Heber Curtis notò per la prima volta “un curioso raggio dritto” che si estendeva dal centro della galassia M87. Questo getto luminoso di materiale ad alta energia, prodotto dal disco di materiale che gira rapidamente attorno al buco nero, è visibile in più lunghezze d’onda della luce, dalle onde radio fino ai raggi X. Quando le particelle nel getto colpiscono il mezzo interstellare, creano un’onda d’urto che irradia nelle lunghezze d’onda infrarosse e radio della luce, ma non della luce visibile.

A destra è la prima immagine del buco nero nel cuore della galassia M87, ripresa dall’Event Horizon Telescope. La veduta a cielo aperto dell’osservatorio a raggi X della NASA Chandra (a sinistra) rivela il getto di particelle ad alta energia lanciate dagli intensi campi gravitazionali e magnetici attorno al buco nero. Credito: raggi X (a sinistra): NASA / CXC / Università di Villanova / J. Neilsen; Radio (a destra): Event Horizon Telescope Collaboration.

Il professore di storia di Harvard, Peter L. Galison, un collaboratore dell’Event Horizon Telescope (EHT), ha affermato che gli scienziati proposero i primi argomenti teorici sui buchi neri già nel 1916. Nel 2016 gli scienziati annunciarono di avere rilevato, per la prima volta, le onde gravitazionali, che secondo molti vengono prodotte dalla fusione dei buchi neri, e quindi erano considerate la prova dell’esistenza dei buchi neri.

L’immagine del grande buco nero al centro di M87 ha segnato il culmine di anni di lavoro intrapresi da un team di 200 scienziati in 59 istituti in 18 paesi. Il progetto, al quale hanno contribuito anche altri scienziati del Black Hole Institute di Harvard, ha tratto i dati raccolti da otto telescopi le cui sedi spaziano dalle Hawaii al Polo Sud.

Ma perché siamo riusciti a fotografare un oggetto posto all’inimmaginabile distanza di 55 milioni di anni luce e non Sag A *, il buco nero rotante supermassiccio che si trova al centro della nostra galassia?

A differenza del mostro di M87, il buco nero centrale della Via Lattea, Sag A *, ha una massa quattro milioni di volte maggiore di quella del nostro Sole. Potrebbe sembrare un grande obiettivo, ma per un telescopio sulla Terra, situato a circa 26.000 anni luce (o 245 trilioni di chilometri) di distanza, è come provare a fotografare una pallina da golf sulla Luna.

“Più di 50 anni fa, gli scienziati hanno visto che al centro della nostra galassia c’era qualcosa di molto luminoso,” spiega Paul McNamara, astrofisico dell’Agenzia Spaziale Europea ed esperto di buchi neri. Sag A * ha un’attrazione gravitazionale abbastanza forte da far sì che le stelle vicine gli orbitino intorno ad esso molto rapidamente (circa 20 anni, il nostro sistema solare che si trova alla periferia della galassia, impiega circa 230 milioni di anni per girare intorno al centro della Via Lattea).

Il problema per fotografare Sag A * è che dalla nostra posizione bisogna guardare attraverso una quantità enorme di stelle e polvere cosmica per osservare il centro della galassia e Sag A *, pur essendo un buco nero rotante supermassiccio, rispetto al buco nero al centro di M87 è poco più di un granello di polvere. Insomma, date le dimensioni, è stato molto più semplice fotografare il buco nero della galassia M87 di quanto lo sarebbe stato prendere un’immagine di Sag A *.

“Siamo nella periferia della nostra galassia: per raggiungere il centro e inquadrare Sag A *, un microbo di fronte al buco nero di M87, dovremmo riuscire a guardare attraverso una quantità enorme di stelle e polvere.” ha detto McNamara.

Mentre i cosmologi meditano su questo e su altri universi possibili, i dati a loro disposizione sono così complessi e vasti che può essere estremamente difficile per gli umani comprendere il quadro d’insieme.

Nell’applicare i principi scientifici utilizzati per creare modelli per la comprensione della biologia cellulare e della fisica alle sfide della cosmologia e dei big data, i ricercatori della Cornell University hanno sviluppato un promettente algoritmo per mappare un insieme di probabilità multiforme.

Il nuovo metodo, che i ricercatori hanno utilizzato per visualizzare i modelli dell’universo, potrebbe aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica, come la natura dell’energia oscura o le caratteristiche possibili di altri universi.

“La scienza funziona perché le cose si comportano molto più semplicemente di quanto non abbiano diritto“, ha affermato James Sethna, professore di fisica e autore senior di “Visualizzazione dei modelli probabilistici con analisi dei componenti principali intensivi“, pubblicato online il 24 giugno negli Atti della Accademia delle scienze nazionale. “Le cose molto complicate finiscono per avere un comportamento collettivo piuttosto semplice.”

Questo, ha spiegato, succede perché non tutti i fattori di un sistema sono significativi. Ad esempio, milioni di atomi possono essere coinvolti in una collisione fisica, ma il loro comportamento è determinato da un numero relativamente piccolo di costanti. I dati sull’universo raccolti dai potenti telescopi, tuttavia, hanno così tanti parametri che può essere difficile per i ricercatori capire quali sono le misure più importanti per rivelare le intuizioni.

L’algoritmo sviluppato dal primo autore dello studio Katherine Quinn, consente ai ricercatori di immaginare una vasta serie di probabilità per cercare modelli o altre informazioni che potrebbero essere utili e fornisce loro una migliore intuizione per la comprensione di modelli e dati complessi.

“Dato che abbiamo dataset molto più grandi e migliori, con terabyte e terabyte di informazioni, diventa sempre più difficile capirli davvero“, ha detto Quinn. “Una persona non può semplicemente sedersi e farlo, è necessario sviluppare algoritmi migliori in grado di estrarre ciò che ci interessa, senza che gli venga detto cosa cercare. Non possiamo semplicemente dire ‘Cerca universi interessanti’. Questo algoritmo è un modo per districare le informazioni in un modo che può rivelare l’interessante struttura dei dati“.

A complicare ulteriormente il compito dei ricercatori c’è il fatto che i dati consistono in intervalli di probabilità, piuttosto che immagini o numeri grezzi. “È un problema difficile da gestire“, ha commentato Quinn.

La loro soluzione sfrutta le diverse proprietà delle distribuzioni di probabilità per visualizzare una raccolta di cose che potrebbero accadere. Oltre che alla cosmologia, il loro modello ha applicazioni anche per l’apprendimento automatico e la fisica statistica, che funzionano pure loro in termini di previsioni.

Per testare l’algoritmo, i ricercatori hanno utilizzato i dati del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea e li hanno studiati con il co-autore Michael Niemack, professore associato di fisica, il cui laboratorio sviluppa strumenti per studiare la formazione e l’evoluzione dell’universo misurando la radiazione a microonde. Hanno applicato il modello ai dati sulla radiazione cosmica di fondo-radiazione rimasta dai primi giorni dell’universo.

Il modello ha prodotto una mappa che mostra le possibili caratteristiche di diversi universi, di cui il nostro universo è un punto. Questo nuovo metodo di visualizzazione delle qualità del nostro universo evidenzia la struttura gerarchica dell’energia oscura e il modello dominato dalla materia oscura che si adatta così bene ai dati dello sfondo delle microonde cosmiche. Mentre la struttura non è sorprendente, queste visualizzazioni presentano un approccio promettente per ottimizzare le misurazioni cosmologiche in futuro, sostiene Niemack.

In futuro, i ricercatori cercheranno di espandere questo approccio per consentire di utilizzare più parametri per ogni punto di dati. Mappare tali dati potrebbe rivelare nuove informazioni sul nostro universo, su altri possibili universi o sull’energia oscura, che sembra essere la forma dominante di energia nel nostro universo, ma su quali fisici ancora conoscano poco.

“Usiamo solo modelli grezzi per spiegare quale energia oscura potrebbe essere, o come potrebbe evolvere nel tempo“, ha detto Niemack. “Ci sono un sacco di diversi parametri che potrebbero essere aggiunti ai modelli, e quindi potremmo visualizzarli e decidere quali sono le misure importanti da privilegiare, per cercare di capire quale modello di energia oscura descrive meglio il nostro universo“.

Per la prima volta, gli scienziati hanno potuto stabilire l’esistenza di un collegamento tra due tipi di fenomeni apparentemente scollegati, quali i raggi gamma e le nubi temporalesche, suggerendo che deboli scoppi di raggi gamma potrebbero precedere i fulmini in determinate condizioni.

I due fenomeni in questione sono le emissioni deboli chiamate bagliori a raggi gamma, che durano circa un minuto, e lampi di raggi gamma terrestri molto più brevi e più intensi (TGF).

Entrambi i fenomeni erano già noti per accadere all’interno di nubi temporalesche, a seconda delle varie cariche elettriche positive e negative attorno a loro, causate da elettroni accelerati. Ma gli scienziati non hanno mai compreso appieno come i due fenomeni si verifichino contemporaneamente e il loro collegamento ai fulmini.

L’osservazione dei due fenomeni collegati allo scoppio di un fulmine h aperto un nuovo livello di comprensione sulla fisica sovralimentata dei temporali.

“Durante un temporale invernale a Kanazawa, i nostri monitor hanno rilevato un TGF simultaneo e un fulmine“, spiega l’astrofisico Yuuki Wada, dell’Università di Tokyo in Giappone. “Questo è abbastanza comune, ma, inaspettatamente, abbiamo anche visto un bagliore di raggi gamma nella stessa area allo stesso tempo“.

“Inoltre, il bagliore è improvvisamente scomparso quando il fulmine ha colpito, permettendoci di dire in modo conclusivo che questi eventi sono intimamente connessi e questa è la prima volta che questa connessione è stata osservata“.

Gli scienziati sanno da decenni che attività di raggi gamma può accompagnare i temporali (provocata dal passaggio di elettroni che interagiscono con i nuclei degli atomi di azoto), questi due tipi di eventi in contemporanea erano stati rilevati solo una volta in precedenza e con letture meno conclusive.

Le nuove scoperte fanno parte di uno studio in collaborazione denominato Osservazione dei raggi di sole invernali (GROWTH). Il team lavora con una serie di monitor installati su scuole e altri edifici a Kanazawa, nella prefettura di Ishikawa.

Con le nuvole temporalesche portate naturalmente a terra dalla topografia circostante, si tratta del posto perfetto per studiare cosa succede all’interno delle nuvole. I monitor utilizzano anche un cristallo di scintillazione per rilevare le radiazioni ionizzanti, e due tubi fotomoltiplicatori che possono trasformare i fotoni in un segnale elettrico (e leggibile).

È interessante notare che i ricercatori dicono che esiste la possibilità che i bagliori di raggi gamma non si limitino a precedere i fulmini, ma, in realtà, li aiutino. Un altro dei tanti misteri che restano da risolvere è capire la ragione per cui i TGF avvengono così raramente al fianco dei fulmini, e esattamente ciò che li spinge a verificarsi.

Ulteriori studi e l’installazione di un maggior numero di sensori di radiazioni dovrebbero permettere agli scienziati di acquisire più dati che, si spera, permetteranno di rispondere a queste domande e potrebbero anche aiutare i meteorologi a prevedere con maggiore precisione il verificarsi di tempeste elettriche.

“Con più sensori, potremo migliorare notevolmente i modelli predittivi“, afferma Wada . “È difficile dirlo adesso, ma con una quantità di dati adeguata registrata da un numero sufficiente di sensori, potremmo essere in grado di prevedere i fulmini con un anticipo di circa 10 minuti rispetto al loro verificarsi in un raggio di circa due chilometri da dove accadranno“.

La ricerca è stata pubblicata su Communications Physics .