Sagittarius A*: la prima foto del buco nero della Via Lattea

Un anello di fuoco a 27.000 anni luce da casa

Il 12 maggio 2022, in sei conferenze stampa simultane tenute nelle principali capitali del mondo, la collaborazione internazionale Event Horizon Telescope (EHT) ha mostrato all'umanità ciò che fino a quel momento era rimasto invisibile: la prima immagine diretta di Sagittarius A* (Sgr A*), il buco nero supermassiccio che dimora al centro della Via Lattea. A comparire sugli schermi era un anello arancione luminoso — subito ribattezzato «la ciambella» — con al centro una regione buia, l'ombra proiettata dall'orizzonte degli eventi. Quell'alone di plasma incandescente aveva viaggiato per circa 27.000 anni luce (circa 8 kiloparsec) prima di raggiungere le nostre antenne.

Sgr A* possiede una massa di circa 4,3 milioni di volte quella del Sole, concentrata in un volume così esiguo che nemmeno la luce riesce a sfuggire dalla sua superficie. Il diametro angolare dell'ombra misurato dall'EHT è di 48,7 microarcosecondi, pari — come ha scritto l'ESO nel suo comunicato ufficiale — a guardare una ciambella posata sulla Luna. I risultati scientifici sono stati pubblicati il medesimo giorno in una serie di sei articoli sull'Astrophysical Journal Letters, Volume 930, a firma della collaborazione EHT.

Come si fotografa l'ombra di un buco nero: la tecnica VLBI a 1,3 mm

Nessun singolo radiotelescopio al mondo ha dimensioni sufficienti a risolvere un oggetto così piccolo e così lontano. La soluzione adottata dall'EHT è la Very Long Baseline Interferometry (VLBI), una tecnica che collega insieme osservatori sparsi su tutto il globo facendoli lavorare in perfetta sincronia, come se fossero un unico telescopio grande quanto la Terra. Le osservazioni di Sgr A* utilizzate per costruire l'immagine furono raccolte nell'aprile 2017, su cinque notti distinte (5, 6, 7, 10 e 11 aprile), da otto radiotelescopi in sei siti geografici: ALMA e APEX nel deserto di Atacama in Cile, il Large Millimeter Telescope sul vulcano Sierra Negra in Messico, il JCMT e la SMA alle Hawaii, l'IRAM 30 m sul Pico Veleta in Spagna, il Submillimeter Telescope in Arizona e il South Pole Telescope in Antartide.

Tutti gli strumenti operavano alla frequenza di 230 GHz, corrispondente a una lunghezza d'onda di 1,3 millimetri. Le basi di interferenza raggiunte spaziavano da 160 metri a oltre 10.700 chilometri, ottenendo una risoluzione angolare di circa 25 microarcosecondi — la più alta mai raggiunta nella storia dell'astronomia. I dati grezzi, registrati su hard disk a velocità di campionamento di 64 Gbps per antenna, furono spediti fisicamente ai correlatori del MIT Haystack Observatory e dell'Istituto Max Planck per la Radioastronomia di Bonn, dove impiegarono anni di calcolo per essere trasformati nell'immagine che il mondo ha visto. Come sottolinea la pagina ufficiale ESO eso2208-eht-mw, la sfida principale era che il gas attorno a Sgr A* completa un'orbita in pochi minuti — al contrario di M87* dove ci vogliono giorni — rendendo l'oggetto intrinsecamente variabile, «come fotografare un cucciolo che rincorre velocemente la propria coda».

Il confronto con M87*: stesso fenomeno, scala diversa

Nel aprile 2019 l'EHT aveva già rivoluzionato l'astronomia con la prima immagine in assoluto di un buco nero: M87*, il gigante ellittico nella costellazione della Vergine, distante circa 55 milioni di anni luce e con una massa di circa 6,5 miliardi di masse solari. Sgr A* è oltre mille volte meno massiccio e mille volte più vicino, eppure i due oggetti appaiono straordinariamente simili: entrambi mostrano un anello luminoso attorno a un'ombra centrale, entrambi si comportano esattamente come previsto dalla relatività generale di Einstein. Questa convergenza è uno dei risultati più importanti del 2022: dimostra che la fisica dei buchi neri è universale, indipendentemente dalla scala.

Trent'anni di stelle che orbitano: la strada verso il Nobel 2020

L'immagine dell'EHT non è arrivata dal nulla. Dietro di essa ci sono tre decenni di osservazioni pazienti delle stelle che si muovono a velocità vertiginosa nei pressi del centro galattico. La stella S2 (nota anche come S0-2) è la più studiata: percorre la sua orbita attorno a Sgr A* in circa 16 anni, raggiungendo nel pericentro una velocità di circa 7.650 km/s — quasi il 3% della velocità della luce — e avvicinandosi al buco nero fino a soli 120 unità astronomiche. Questi dati, raccolti indipendentemente dal gruppo di Reinhard Genzel (Max Planck Institut für Extraterrestrische Physik, Germania) con il Very Large Telescope dell'ESO e dal gruppo di Andrea Ghez (UCLA, USA) con il Keck Observatory, hanno fornito la prova più convincente dell'esistenza di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia.

Il 6 ottobre 2020 il Comitato Nobel di Stoccolma ha assegnato il Premio Nobel per la Fisica 2020 per metà a Roger Penrose («per la scoperta che la formazione di buchi neri è una robusta previsione della relatività generale») e per l'altra metà congiuntamente a Reinhard Genzel e Andrea Ghez («per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia»). Ghez è diventata la quarta donna nella storia a ricevere il Nobel per la Fisica.

Che cosa ci insegna questa «ciambella» arancione

L'immagine di Sgr A* non è soltanto una fotografia storica: è uno strumento di misurazione. Confrontando la dimensione osservata dell'ombra — 48,7 microarcosecondi — con le previsioni teoriche della relatività generale per un buco nero di 4,3 milioni di masse solari alla distanza di 8 kiloparsec, gli scienziati hanno potuto verificare che Einstein aveva ragione anche in questo regime estremo. Nessuna deviazione significativa è emersa, stringendo ulteriormente i limiti su teorie alternative della gravità.

Il futuro promette ancora di più. L'EHT è in continua espansione: nuove stazioni come il Greenland Telescope, NOEMA in Francia e il telescopio da 12 metri dell'Università dell'Arizona si sono aggiunte dopo il 2017, aumentando la copertura e la sensibilità dell'array. L'obiettivo prossimo è ottenere un filmato di Sgr A*, non solo un'istantanea, per vedere la materia mentre spiraleggia nell'abisso. Come ricordano i sei paper pubblicati sull'Astrophysical Journal Letters, «siamo agli albori di una nuova era nell'astrofisica dei buchi neri». Al centro della Via Lattea, a soli 27.000 anni luce da qui, il mostro dorme — ma la scienza ora lo guarda negli occhi.

«Siamo stati stupiti di quanto fosse simile a M87*. Vicino all'orizzonte degli eventi, i due buchi neri sembrano sorprendentemente simili.»
— Sera Markoff, co-presidente del Consiglio Scientifico dell'EHT, comunicato ESO del 12 maggio 2022