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Ci eravamo lasciati nel capitolo precedente con un'importante questione aperta. I buchi neri supermassivi, così comuni nell'universo da trovarsi nel cuore di un numero sterminato di galassie, sono originati da un buco nero di massa stellare cresciuto in modo abnorme a furia di divorare stelle e materia circostante, oppure è una grande nube di gas a collassare, dando vita direttamente a un buco nero, e non ad una stella? È escluso per ora che li si possa osservare nel corso della loro formazione, non essendo la nostra tecnologia ancora abbastanza avanzata. E allora, che fare?

Come ha spiegato un un articolo sul numero di marzo 2012 de "Le Scienze", l’astrofisico Jerry E. Greene della Harvard University ha seguito un'altra strategia: cercare embrioni residui che, per una ragione o per l’altra, siano sopravvissuti fino ad oggi senza crescere fino a diventare supermassivi. Secondo il suo ragionamento, se i germi di buchi neri fossero originati dalle stelle collassate, dovremmo trovare molti di questi embrioni residui sia al centro sia alla periferia delle galassie, perché le stelle primordiali sarebbero morte in ogni parte della galassia. Ci aspetteremmo anche di trovare una distribuzione continua di masse da 100 a 100.000 volte quella del Sole, poiché la crescita potrebbe interrompersi per mancanza di alimentazione in qualunque momento del cammino verso lo stadio di stelle supermassive. Al contrario, se gli embrioni si formano in prevalenza a causa del collasso di nubi di gas, gli avanzi sarebbero rari; il processo di collasso diretto, se mai e avvenuto, si sarebbe verificato meno spesso della normale morte delle stelle. Invece di un'ampia distribuzione di masse osserveremmo che la maggior parte degli embrioni di buchi neri residui sarebbero più pesanti di 100.000 masse solari (i modelli teorici indicano che questa è probabilmente la massa tipica dei buchi neri che si formerebbero per collasso diretto del gas).

E così, Greene e i suoi collaboratori hanno iniziato a perlustrare il cielo alla ricerca di un nuovo tipo di buchi neri, né di massa stellare né supermassivi: un buco nero di massa intermedia. Che cosa si può intendere con l’espressione « massa intermedia »? In genere si parla di un buco nero con una massa stimata tra 1000 e 2 milioni di masse solari. Questo limite superiore esclude i più piccoli buchi nevi supermassivi noti, come quello da 4 milioni di masse solari al centro della nostra Via Lattea. Naturalmente il confine è sfumato, anche perché la misurazione della massa di un buco nero è molto difficile. L’obiettivo degli astrofisici consiste nel verificare se l’abbondanza e la distribuzione delle dimensioni di questi buchi neri intermedi siano più coerenti con il modello del collasso stellare o con quello del collasso di nubi di gas. All'inizio degli anni Duemila si conosceva un unico buco nero di massa intermedia; da allora, però, ne sono scoperti a centinaia, ed essi ci hanno già fornito un nuovo quadro delle interazioni tra i buchi neri e le galassie in cui si trovano.

Come si è già detto, infatti, i buchi neri possono rivelarsi in modi diversi: per esempio, le stelle che sfrecciano lungo orbite molto incurvate vicino al centro di una galassia sono un segnale della presenza di on buco nero supermassivo. Tuttavia i buchi neri di massa intermedia sono troppo poco massicci perché la loro gravità possa tradirne la presenza in questa maniera. Gli astrofisici si concentrano invece sui buchi neri attivi, cioè quelli tali che la materia calda che cade verso di esse emette una quantità immane di radiazioni. Negli ultimi decenni gli astronomi hanno scoperto che i buchi neri attivi si trovano solitamente in grandi galassie di un certo tipo. Alcune di esse, come la nostra, hanno un grande disco in rotazione composto da stelle; altre sono ellittiche. Alcune galassie a disco hanno in realtà al loro centro una piccola galassia ellittica, una sorta di rigonfiamento. Ebbene, i buchi neri attivi si trovano per lo più nelle grandi galassie ellittiche e nelle galassie a disco con grandi rigonfiamenti. Quasi tutti i rigonfiamenti osservati, che sono abbastanza vicini da poter essere analizzati, rivelano un buco nero di milioni o miliardi di masse solari nel loro cuore. Inoltre i rigonfiamenti più grandi contengono buchi neri più massivi: la massa del buco nero è solitamente circa un millesimo di quella del rigonfiamento. Questa sorprendente relazione per ora è misteriosa, ma fa ritenere che galassie e buchi neri supermassivi evolvano insieme in modi che gli astrofisici non hanno ancora compreso. Naturalmente questa correlazione ha suggerito loro di cercare i buchi neri di massa intermedia nelle galassie più piccole.

Nel 2005, Bradley R. Peterson della Ohio State University ha usato il telescopio spaziale Hubble per applicare una tecnica chiamata “mappatura per riverbero”, la quale usa le nubi di gas che orbitano attorno al buco nero, analogamente ai pianeti in orbita intorno al Sole (vedi il mio ipertesto “La mela di Newton”). Misurando i tempi degli echi della luce provenienti dalle nubi, si ricava la dimensione delle loro orbite, e da queste la massa del buco nero con una precisione prima impensabile, aumentando le nostre conoscenze in proposito e portando acqua alla teoria di Greene. Quest’ultimo ha ulteriormente affinato le ricerche, utilizzando lo Sloan Digital Sky Survey: dal 2000 ad oggi il telescopio del Nuovo Messico dedicato a questo progetto ha registrato gli spettri di milioni di stelle e galassie in più di un quarto dell’intero cielo. Greene e il suo collega Luis H. Ho dei Carnegie Observatories hanno analizzato la bellezza di 200.000 spettri di galassie, trovando decine di piccole galassie contenenti buchi neri attivi con masse stimate in meno di un milione di volte quella del Sole. Gli spettri luminosi della Sloan Digital Sky Survey infatti hanno permesso di determinare la velocità dei gas caldi in orbita attorno a un buco nero; dalle osservazioni dei buchi neri attivi compresi tra un milione e un miliardo di masse solari, gli astronomi conoscono la relazione che lega la velocità dei gas alla massa del buco (più è piccolo, meno il gas è veloce); estrapolando tale relazione a buchi neri di massa inferiore, Greene e Ho hanno individuato esattamente i corpi cercavano. In effetti, solo una galassia su mille tra quelle comprese nello Sloan Digital Sky Survey mostrerebbe indizi della presenza di un buco nero di massa intermedia, e ciò basterebbe per definire “rari” tali oggetti. Ma lo Sloan Digital Sky Survey si basa solo sulla luce visibile dall’occhio umano, e le grandi nubi di polvere potrebbero nascondere alla vista molti buchi neri. Per questo altri astronomi, come Shobita Satyapal della George Mason University hanno usato invece la banda degli infrarossi. Oggi perciò si pensa che solo tra il 5 e il 25 % delle galassie prive di rigonfiamento ospiti al suo interno un buco nero intermedio.

Una delle teorie elaborate da Greene e collaboratori sulla possibile correlazione tra buchi neri intermedi e galassie con rigonfiamento afferma che le galassie ellittiche e i grandi rigonfiamenti si formano allorché si fondono due galassie a disco. Durante la fusione, le forze gravitazionali di marea disturbano i dischi, così le stelle non orbitano più entro un disco, ma si muovono casualmente dentro una “palla” (la nuova forma ellittica). Durante la fusione le nubi di gas collidono tra loro e sono incanalate verso il centro del rigonfiamento, avviando la formazione di stelle, che incrementano la massa totale del rigonfiamento. Contemporaneamente i buchi neri di ognuna delle due galassie si fondono e consumano una parte del nuovo gas del centro galattico. In tal modo, grandi rigonfiamenti e buchi neri supermassivi possono evolvere insieme; giunti al punto in cui il buco nero ha circa un millesimo della massa del rigonfiamento, comincia ad agire da mantice ed espelle dal centro della galassia il gas rimanente, e pone fine alla crescita.

Fig. 25   La galassia NGC 4395, priva di rigonfiamento centrale (da questo sito)

I buchi neri di massa intermedia nelle galassie prive di rigonfiamento (come NGC 4395, la prima di questo tipo ad essere stata individuata) non avrebbero mai beneficiato di un simile banchetto, e sarebbero invece embrioni residui, cresciuti solo grazie a pasti a base di gas in eccedenza al centro della galassia, non collegati all’evoluzione complessiva della galassia medesima. Anzi, secondo Greene e collaboratori, al centro di una galassia priva di rigonfiamento può anche non nascere mai alcun buco nero. È questo il caso della galassia M33, che non ha un buco nero con massa superiore alle 1500 masse solari.

Sulla questione dell’origine degli embrioni dei buchi neri, la rarità dei buchi neri di massa intermedia porta acqua al mulino dell’ipotesi di un collasso diretto delle nubi di gas agli albori dell’universo, rispetto all’idea del collasso stellare. In quest’ultimo caso, infatti, ci dovremmo aspettare che quasi tutte le galassie contengano buchi neri da almeno 10.000 masse solari, mentre invece pare che la maggior parte delle piccole galassie senza rigonfiamento non contenga un simile buco nero. L’ipotesi del collasso diretto è favorita rispetto a quella della morte stellare anche perché è molto più facile generare un buco nero da un milione di masse solari in poche centinaia di milioni di anni, se l’embrione è presente fin dal principio. Naturalmente è possibile che alcune galassie contengano buchi neri intermedi fuori dalla zona centrale, e dunque in un prossimo futuro questa nostra conclusione potrebbe cambiare. Per ora restano aperte molte domande riguardo ai famosi buchi neri intermedi. Sono più comuni in certi tipi specifici di piccole galassie? Le galassie prive di rigonfiamento sono davvero prive anche di un buco nero intermedio, o hanno buchi neri troppo piccoli per essere rilevati, attorno alle 1000 masse solari? In tal caso essi si sarebbero formati dai cadaveri di stelle morte, e non dal collasso diretto del gas. Oppure tutte le galassie senza rigonfiamento hanno grossi buchi neri (tra i 10.000 e i 100.000 soli), ma per lo più non emettono radiazioni? In tal caso, dovremmo rivedere la nostra convinzione che i buchi neri intermedi siano rari. Solo gli studi futuri potranno fornire una risposta certa a tutte queste domande.

Nel 2015 inoltre è stato scoperto che i "venti" spaziali generati da un buco nero sono in grado di spazzare via dalla galassia che lo ospita il gas interstellare che vi è presente, riducendo così la possibilità di nascita di nuove stelle. La prima osservazione diretta di questo fenomeno, ottenuta con il telescopio spaziale Herschel dell'ESA, è di un gruppo di astronomi dell'Università del Maryland e dell'Università di Alcalá, in Spagna, guidati da Francesco Tombesi. Tutti i modelli sulla formazione delle galassie ipotizzano l'esistenza di meccanismi di feedback che controllano l'aumento della massa stellare delle galassie. Le simulazioni al computer indicano infatti che, senza questi meccanismi, le galassie sarebbero cresciute ben al di là di quanto si osserva, e molto più velocemente. L'ipotesi prevalente è che il rallentamento delle loro dimensioni abbia a che fare con la crescita dei buchi neri supermassicci che si trovano al centro delle grandi galassie. Tuttavia i dettagli di questo meccanismo di retroazione erano poco chiari: la sfera di influenza diretta di un buco nero supermassiccio è comunque minuscola rispetto alla galassia che lo ospita. Molti buchi neri al centro delle galassie sono silenti, ma altri, i cosiddetti nuclei galattici attivi (o AGN), crescono inghiottendo materia e rilasciando in questo processo grandi quantità di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica e di particelle fortemente energetiche. L'ipotesi testata da Tombesi e colleghi è che questo primo “vento” interstellare che investe i gas e le poveri del disco di accrescimento che circonda il buco nero (di cui è già stata rilevata traccia grazie a telescopi a raggi X) provochi un'eccitazione delle molecole dei gas sufficiente a generare un'onda d'urto, un secondo vento, che attraversa la galassia ed è in grado di riscaldare, spazzare ed espellere i gas che altrimenti andrebbero a formare nuove stelle. Questa onda d'urto dovrebbe emettere una radiazione, molto più debole di quella del vento proveniente direttamente dal buco nero, e rilevabile nello spettro dell'infrarosso. Osservando la galassia IRAS F11119 + 3257, al cui centro vi è un nucleo galattico attivo e le cui emissioni nello spettro X sono state rilevate e misurate dal satellite giapponese Suzaku, Tombesi e colleghi sono riusciti a misurare proprio la radiazione infrarossa cercata, dando così una prima conferma sperimentale che quello ipotizzato è il meccanismo che frena l'accrescimento galattico. Questo nuovo risultato ci aiuta a capire perché e come la formazione stellare possa essere rallentata o anche completamente spenta all'interno di intere galassie.

La presenza di un buco nero supermassivo centrale potrebbe essere alla base della spaventosa emissività dei QUASAR, altri oggetti piuttosto "anomali" del cielo, perché - pur trovandosi a distanza da noi superiore ad un miliardo di anni luce (10²² chilometri!) - appaiono brillanti come stelle della nostra galassia. L'esempio più bello è costituito dall'oggetto noto come 3C 273, presso la testa della costellazione della Vergine. Ci appare come una stellina di  magnitudine 12,8  ma, distando da noi tre miliardi di anni luce, se fosse una stella comune dovrebbe apparire di trentesima magnitudine, cioè cento milioni di volte più fioca! L'unica spiegazione per questo fatto è che 3C 273 emetta più energia di un'intera galassia (è per questo che è chiamato quasar, da "quasi star", e cioè "quasi stella"!), e le reazioni termonucleari da noi descritte nei capitoli 6 e 7 non sono certo sufficienti per rendere ragione della sua natura superluminosa. Potrebbe renderne ragione, tuttavia, una  repentina liberazione di energia gravitazionale, come quella che avrebbe luogo se il quasar nel suo cuore celasse un buco nero. La disintegrazione delle stelle da esso inghiottite libererebbe la loro intera energia gravitazionale sotto forma di un flash luminoso, più potente di qualunque esplosione all'idrogeno.

Fig. 26  Se osservato ai raggi gamma, mediante satelliti posti fuori dell'atmosfera terrestre, il quasar 3C279 è uno degli oggetti più luminosi di tutto il cielo!

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Vale la pena di citare anche un nuovo tipo di mostro celeste, inseguito da tempo dagli astrofisici, che finalmente nel 2010 sono riusciti a catturarlo in una remota galassia distante dalla Terra 300 milioni di anni luce. L'oggetto in questione è un buco nero mai visto finora, caratterizzato da una dimensione media rispetto a quella dei superbuchi neri posizionati nel cuore delle isole stellari, dei quali abbiamo appena parlato. I calcoli dei teorici avevano predetto l'esistenza di questa nuova stranezza celeste, e la scoperta conferma i loro calcoli. L’impresa è riuscita a Klaas Wiersema dell’Università di Leicester, utilizzando il Very Large Telescope dell’Eso, in Cile, il quale ha raccolto immagini della più luminosa sorgente di raggi X dell'universo, battezzata HLX-1. Il getto di raggi X è situato accanto a una sorgente luminosa nel visibile, la quale si ritiene associata all’emissione della potente radiazione. Nel futuro si scruterà in dettaglio questa sorgente per definire meglio il risultato, costruendo un preciso identikit del nuovo e atteso appartenente alla famiglia dei « buchi nel cielo ». La loro indagine è ritenuta preziosa perché aiuta a comprendere l’evoluzione delle galassie, dal momento che, come si è visto, sono in grado di influenzarla pesantemente.

E non è tutto. Osserviamo la foto sottostante, ottenuta da esperti della NASA sovrapponendo due immagini della galassia massiccia 3C 75, lontana da noi 300 milioni di anni luce, che si è rivelata essere una potentissima sorgente radio: le parti colorate in blu sono state registrate nello spettro dei raggi X, quelle colorate in rosa nello spettro delle onde radio. Si pensa che nel bel mezzo di questa galassia due buchi neri supermassicci stiano ruotando l'uno attorno all'altro, circondati da nubi di gas a milioni e milioni di gradi responsabili dell'emissione di raggi X, e tutti impegnati ad espellere getti di particelle subatomiche a velocità relativistiche; i due colossali buchi neri sarebbero separati tra di loro da una distanza di almeno 25.000 anni luce. Mediante le osservazioni del Chandra X-Ray Observatory, gli astrofisici hanno concluso che questi due buchi neri supermassicci sono tenuti insieme dalla forza di gravità in un sistema binario, e molto probabilmente il loro aspetto è dovuto al loro movimento attraverso le nubi di gas caldo alla bellezza di 1200 chilometri al secondo. Si pensa che queste spettacolari coppie di buchi neri in rotazione reciproca possano essere comuni negli affollati ammassi di galassie dell'universo lontano.

Fig. 27  Due buchi neri in rapidissima rotazione l'uno intorno all'altro?

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E quando i due buchi neri rotanti un giorno arrivassero a precipitare l'uno sull'altro e quindi a fondersi, che cosa accadrebbe? Come già accennato nel capitolo 4,, la fusione di due corpi compatti di un sistema binario (stelle di neutroni o buchi neri) provocherebbe un colossale rilascio di onde gravitazionali. Il potenziale gravitazionale fluttuerebbe in modo incredibile, come la superficie del mare in cui precipiti una montagna, e la struttura stessa dello spazio-tempo verrebbe violentemente squassata e attraversata da increspature inimmaginabili. La fusione di due stelle di neutroni durerebbe presumibilmente una frazione di secondo, tempo durante il quale si innescherebbe un rilascio di neutrini come in una supernova, e forse anche un flash di raggi gamma. Se invece di due stelle di neutroni fossero due buchi neri a cadere l'uno sull'altro, secondo le equazioni di Einstein anche i loro orizzonti si fonderebbero in uno solo più grande, e il sistema binario originale diventerebbe un singolo buco nero, emettendo una quantità enorme di energia sotto forma di onde gravitazionali. Kip S. Thorne del California Institute of Technology a Pasadena ha cercato di descrivere il "comportamento tempestoso" dello spazio-tempo curvo, generato da due buchi neri in rotazione che si scontrano. Utilizzando complesse simulazioni numeriche, Thorne è giunto alla conclusione che l’esito dello scontro dipende fortemente dalla quantità di gas caldo che si trova intorno ad ogni buco nero. Quando cominciano ad interagire tra loro, i gas esercitano una forza di frizione sui buchi neri, rallentando il loro movimento rotatorio, e si manifestano due tipi di strutture spazio-temporali curve connesse ai buchi neri: le linee di stiramento mareale (tendex), che " stirano" e " spremono" tutto ciò che incontrano, e i vortici, che esercitano una torsione su tutti i sistemi inerziali adiacenti. Quando due buchi neri si scontrano, i loro tendex e vortici interagiscono e oscillano. Una volta che la distanza tra i buchi neri è diventata paragonabile all’ampiezza del nostro Sistema Solare, queste oscillazioni generano potenti onde gravitazionali, che dovrebbero presto essere alla portata dell’osservazione di rilevatori gravitazionali come l'americano LIGO o l'europeo VIRGO-EGO. Ciò che nessuno finora immaginava è inoltre il ruolo che potrebbero aver giocato questi buchi neri supermassicci nella distribuzione degli elementi pesanti nell’universo: sempre secondo le simulazioni, proprio i venti stellari originati nei dintorni dei buchi neri giganti posti nella parte centrale delle galassie, distribuirebbero elementi chiave per la vita, come carbonio ed ossigeno, nelle vaste zone di spazio tra le diverse galassie!

C'è poi da riferire una scoperta notevole, effettuata nel novembre 2010 da Fabrizio Brighenti, Annibale D’Ercole e Massimo Gaspari, ricercatori dell’Università di Bologna, secondo i quali i buchi neri sarebbero in grado di bloccare la nascita delle stelle. Essi infatti hanno studiato i grandi ammassi di galassie lontane, ed hanno dimostrato che, oltre a divorare tutta la materia del loro circondario, i mostri celesti nascosti al loro interno lanciano potenti flussi di radiazioni e di gas roventi ad altissima velocità. Questi getti si diffondono tra gli ammassi per milioni di anni luce, riscaldando l’ambiente circostante e impedendo la formazione di nuove stelle, perché la materia rimane allo stato gassoso. Il tutto è stato verificato mediante complesse simulazioni ottenute con i supercomputer del centro Cineca di Bologna, e la ricerca continua con i computer ancora più potenti del centro Nasa nei pressi di Mountain View, in California.

Due buchi neri individuati nel 2011, i più massicci mai osservati, con masse pari a 10 miliardi di volte quella del Sole, potrebbero rappresentare l'"anello mancante" nel nostro modello dell'evoluzione del cosmo: i primi resti noti dei più brillanti quasar presenti nell'universo un solo miliardo di anni dopo il Big Bang. Questa scoperta porta ad ipotizzare che esista una differenza nel modo in cui i buchi neri supermassicci raggiungono le loro dimensioni rispetto ai loro "cugini" più piccoli. Questi giganteschi oggetti si formarono in una fase precoce della storia dell'universo, inghiottendo gas e stelle nel nucleo delle galassie in formazione. Chung-Pei Ma, cosmologo dell'Università della California a Berkeley e i suoi colleghi, sono arrivati a "vedere" i due "mostri" misurando le velocità delle stelle in rapido movimento in prossimità dei centri di grandi galassie. Poiché le velocità delle stelle sono correlate alla massa dei corpi intorno a cui orbitano, è possibile “pesare”in modo indiretto il buco nero supermassiccio che si trova al centro di altre galassie.  Il gruppo ha ristretto le osservazioni a galassie sia di grandi dimensioni sia compresse in ammassi. In teoria, i buchi neri supermassicci potrebbero crescere fino a raggiungere dimensioni enormi consumando gas e stelle fornite da altre galassie presenti nelle vicinanze.

« Questi ammassi di galassie possono essere considerati dei siti archeologici, in cui la storia antica ha lasciato tracce che ora noi possiamo scoprire e interpretare », ha commentato Avi Loeb dell'Harvard University di Cambridge, nel Massachusetts. Utilizzando gli strumenti montati sui telescopi Keck II e Gemini North sul monte Mauna Kea alle isole Hawaii, gli astronomi hanno trovato che una galassia dell'ammasso denominata NGC 3842 ospita un buco nero con una massa equivalente a 9,7 miliardi di masse solari. Un'altra galassia, NGC 4889, che si trova al centro di un altro ammasso, ha un buco nero con una massa stimata di circa 20 miliardi di masse solari, sebbene possa superare i 37 miliardi. (il buco nero al centro della galassia M87 ha una massa di "soli" 6,7 miliardi di masse solari). Sia NGC 3842 sia NGC 4889 sono distanti da noi poco più di 300 milioni di anni luce, sono cioè relativamente vicine in termini astronomici. Nonostante ciò, puntare al moto di queste stelle al centro di ciascuna galassia richiede osservazioni ad alta risoluzione che non erano possibili sono pochi anni fa. Karl Gebhardt, ricercatore dell'Università del Texas a Austin, nota come le masse dei buchi neri appena scoperti non seguono alcuna correlazione tra la massa del rigonfiamento centrale delle stelle in una galassia e la massa del buco nero centrale. I buchi neri appena scoperti, infine, sono più grandi di quanto ci si aspettasse, il che potrebbe indicare che questi giganti del cosmo si sono evoluti in modo differente, forse guadagnando ciò che avevano perso quando le galassie che li ospitavano si sono fuse con altre. Ciò a sua volta potrebbe fornire nuovi indizi su come si formano le galassie e i buchi neri.

Gli osservatori avevano precedentemente teorizzato l'esistenza di questi buchi neri massicci in galassie distanti, osservate come apparivano a 1,2-3,3 miliardi di anni dopo il Big Bang. Queste galassie contenevano brillanti quasar; i quasar si spensero molto tempo fa, ma i buchi neri giganti rimangono, avendo perso solo una parte trascurabile della loro massa durante l'evoluzione di miliardi di anni per diventare parte dell'universo attuale. Con questa nuova corrispondenza tra buchi neri supermassicci nell'universo primordiale e in quello attuale possiamo comprendere meglio in che modo i quasar influenzarono l'evoluzione delle galassie che li ospitavano, e in che modo queste ultime nutrirono la crescita di buchi neri di quasar.

Uno studio pubblicato da Xue-Bing Wu e colleghi dell'Università di Pechino ha inoltre confermato sperimentalmente l'esistenza nell'universo primordiale di un buco nero di eccezionali dimensioni: la sua massa stimata è pari a 12 miliardi di masse solari! L'incredibile oggetto risale a 875 milioni di anni dopo il Big Bang, cioè ad un'epoca in cui l'età dell'universo era solo il 6 % di quella attuale, ed è stato osservato in una delle regioni più remote del cosmo. La scoperta è avvenuta utilizzando i dati raccolti in tre diversi programmi di osservazione del cosmo profondo: Sloan Digital Sky Survey, 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) e Wide-field Infrared Survey Explorer. In particolare, gli autori hanno analizzato i dati di quasar distanti. Secondo Xue-Bing Wu e colleghi, l'eccezionalità della nuova scoperta non riguarda solo la massa del buco nero, ma anche quella della galassia che lo ospita, che dovrebbe essere in proporzione. Secondo le stime, la massa di questa galassia ospite sarebbe infatti compresa tra 4 e 9 miliardi di masse solari, quindi paragonabile alle più massicce galassie osservate finora. Le osservazioni hanno così permesso di raccogliere nuove informazioni sulla formazione delle galassie massicce nell'universo primordiale, nonché sulla correlazione tra la formazione delle stelle nella galassia e il processo di accrescimento del disco intorno al buco nero centrale.

Un altro aspetto interessante è che non solo il buco nero è il più massiccio di questo tipo finora scoperto nell'universo primordiale, ma anche che la radiazione prodotta da questo "mostro" celeste è la più intensa di quell'epoca cosmica, a causa dell'alto tasso di accrescimento del disco, e potrebbe essere usata come strumento per studiare il cosmo distante. Via via che si propaga verso l'osservatore, infatti, la luce passa attraverso il gas del mezzo interstellare che contiene idrogeno, elio e vari metalli, cioè gli elementi più pesanti dell'elio prodotti all'interno delle stelle. Questi elementi assorbono una piccola porzione della luce a specifiche lunghezze d'onda: quanto più è luminoso l'oggetto, tanto più completo può essere lo studio del gas presente lungo il cammino. Gli autori sperano che l'estrema luminosità osservata possa permettere di misurare l'abbondanza dei metalli nel mezzo intergalattico dell'universo primordiale con una precisione senza precedenti. Questo consentirà di ottenere informazioni sui processi di formazione stellare appena dopo il Big Bang.

Fig. 28  La prima, storica foto di un buco nero!

Aggiungiamo che probabilmente il 10 aprile 2019 resterà nella storia della scienza: per la prima volta è stato fotografato ciò che avviene intorno a un buco nero, e precisamente la materia che viene attirata dall’enorme gravità e le conseguenze: temperature di milioni di gradi, radiazioni, raggi X, fotoni emessi dal plasma supercaldo. In questa data le prime immagini di M87, un buco nero a circa 55 milioni di anni luce da noi nell’Ammasso della Vergine, con una massa pari a quella di 6,5 miliardi di soli, sono state mostrate al mondo dai circa 200 scienziati del progetto Event Horizon Telescope, che riuniva una rete mondiale di telescopi, e voi potete ammirare qui sopra una di queste storiche immagini. La scelta delle onde radio per fotografare un buco nero è dovuta al fatto che la maggior parte dell’energia intorno ai buchi neri supermassicci viene emessa proprio in quella banda. Inoltre è più semplice, rispetto ai telescopi ottici, realizzare una rete di radiotelescopi che, grazie all’interferometria, funzionano come un unico grande radiotelescopio. « Sembra l’Occhio di Sauron del Signore degli Anelli », ha commentato la ricercatrice Jessica Dempsey dell'University of British Columbia, che ha contribuito alla scoperta, quando è apparsa sugli schermi l’immagine di M87. « L’immagine che abbiamo ottenuto è consistente con l’ombra di un buco nero rotante come era stato predetto dalla relatività generale di Einstein », ha aggiunto Ciriaco Goddi dell’Università di Leida, responsabile della calibrazione e validazione dei dati. « Abbiamo impiegato un anno e mezzo per ridurre, calibrare, validare e analizzare i dati acquisiti nel 2017: basti pensare che EHT ha raccolto qualcosa come 350 Terabyte al giorno per radiotelescopio! ». Osservando l’immagine qui sopra si nota subito un’asimmetria tra la parte inferiore molto più luminosa e quella superiore più scura. « Si può spiegare con un effetto relativistico, chiamato anche Doppler beaming o Doppler boosting », ha chiarito Goddi. « Un plasma che si muove a velocità prossime a quella della luce in rotazione intorno a un buco nero amplifica l’emissione del plasma che si muove nella nostra direzione. Il disco scuro al centro individua l’orizzonte degli eventi. Se immerso in una regione luminosa come un disco di gas incandescente, ci aspettiamo che un buco nero crei una regione oscura simile a un’ombra, prevista da Einstein. Questa ombra, causata dalla distorsione o curvatura gravitazionale e dalla cattura della luce dall’orizzonte degli eventi, rivela molto sulla natura di questi oggetti affascinanti ». Insomma, questa fotografia è compatibile con i modelli che descrivono un buco nero rotante, come il famoso Gargantua del film "Interstellar".

Ma non è finita: nel marzo 2021 il team dell’Event Horizon Telescope è riuscito in un'altra impresa, mappando i campi magnetici sull’orlo dell’orizzonte degli eventi del nucleo galattico attivo già fotografato due anni prima. I ricercatori sono infatti riusciti a riconoscere la luce polarizzata che riesce a sfuggire alla gravità del divoratore di materia, e ne hanno ricavato la mappatura delle linee del campo magnetico presenti nelle vicinanze dell’orizzonte degli eventi, studiando il loro effetto sul plasma che accresce sul buco nero. È interessante notare come solo una parte dell’anello di plasma che circonda il buco nero, quella che nell’immagine si vede in basso a destra, sia polarizzata in modo significativo, e come vi siano evidenze che la polarizzazione vari nel corso della settimana durante la quale sono state realizzato le osservazioni. Ricordiamo che la polarizzazione della luce è quel fenomeno per il quale le onde elettromagnetiche oscillano solo su un piano. Questo risultato ci aiuterà a capire ancora meglio come funzionano i buchi neri supermassicci come quello al centro di M87, con il suo "pennacchio" che parte dal centro di M87 e si allunga per ben 5.000 anni luce: solo grazie a questo studio siamo riusciti ad ottenere una prima descrizione completa delle strutture di campo magnetico che lo avvolgono. Come si vede Eht ha fatto grandi progressi, ma da questo progetto si attende ancora una nuova, straordinaria, immagine: quella di Sagittarius A*, il buco nero al centro della Via Lattea, più vicino a noi ma anche molto più piccolo di quello di M87, e non emette alcun "ruggiti" di plasma. Forse Eht ci aiuterà a capire il perché. Certo questa notizia e questa immagine non potevano non trovare posto in questo ciclo di lezioni. Certo questa notizia e questa immagine non potevano non trovare posto in questo ipertesto.

Fig. 29  Lo stesso buco nero della fig. 28 in luce polarizzata

Vorrei chiudere questa interessante discussione segnalando una proprietà notevole dei buchi neri supermassivi: quanto maggiore è la loro massa, tanto minore può essere la loro densità quando si formano. Ciò significa che è meno difficile generare un buco  nero di dimensioni galattiche che uno di dimensioni stellari o, peggio, di dimensioni terrestri (buchi neri primordiali a parte). Ad esempio, la densità di un buco nero generato dal collasso di una massa 100.000 volte maggiore di quella del Sole può non essere superiore a quella dell'acqua. Un oggetto di massa ancor maggiore potrà collassare già ad una densità assai minore. Continuando ad estrapolare, si scopre (non senza sorpresa!) che la densità  richiesta  per formare un buco nero di massa pari a quella del nostro universo sarà pressappoco uguale alla... densità media dell'universo osservabile!  Quindi, anche l'intero nostro universo potrebbe risultare tutto un... titanico buco nero!