A cosa assomiglia un buco nero visto da vicino?

Con il film di fantascienza “Interstellar” che giunge al cinema proprio questa settimana, ecco che arriva al grande pubblico per la prima volta una rappresentazione visiva di un buco nero, uno dei fenomeni più enigmatici ed affascinanti dell’universo, naturalmente grazie alle simulazioni generate dal computer. Gli astrofisici dell’Università di Arizona Chi-kwan Chan, Dimitrios Psaltis e Feryal Ozel sono felici, visto che è quello che cercano di fare da anni.

“Vogliamo sapere cosa succede in prossimità di oggetti estremamente compatti, come i buchi neri e le stelle di neutroni,” ha detto Psaltis, professore di astronomia e fisica presso il Dipartimento di Astronomia dell’Università di Arizona. “E in particolare vogliamo vedere come la materia che alimenta un buco nero attraversa l’orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno, e scompare.”

Per trovare le risposte, il gruppo ha creato un “mostro” nel seminterrato della struttura di calcolo ad alte prestazioni dell’Università di Arizona. Sfruttando la potenza del nuovo supercomputer della UA – soprannominato El Gato – i ricercatori hanno combinato le equazioni matematiche e le osservazioni astronomiche per generare la rappresentazione di un oggetto conosciuto dagli astronomi come Sagittarius A *, un buco nero supermassiccio composto dalla massa equivalente a 4,3 milioni di volte il nostro Sole.

Situato a ben 26.000 anni luce dalla Terra al centro della nostra galassia, Sagittarius A * è piccolo agli occhi degli astronomi. Più piccolo dell’orbita di Mercurio intorno al Sole, appare a questa enorme distanza come se fosse un pompelmo sulla superficie della Luna.

Il team ha appena pubblicato i primi importanti risultati scientifici ottenuti grazie alle incredibili capacità di calcolo parallelo di El Gato per creare visualizzazioni di ciò che un viaggiatore spaziale potrebbe vedere quando si avvicinasse a Sgr A *. I risultati, pubblicati in due relazioni su The Astrophysical Journal [preprint: http://arxiv.org/abs/1410.3492] e [preprint: http://arxiv.org/ abs / 1303.5057], forniscono alcune delle basi per la Event Horizon Telescope, o EHT, un’impresa enorme che coinvolgerà scienziati e osservatori di tutto il mondo per cercare di catturare per la prima volta una foto di Sgr a *.

Il film “Interstellar”, con Matthew McConaughey e Anne Hathaway, cerca di rappresentare un buco nero per la prima volta da quando è stato teorizzato da Heinstein nella sua teoria generale della relatività. Su alcuni dei rendering, è stato dichiarato che un team esperti di effetti speciali ha speso fino a 100 ore di calcoli per creare ogni singolo fotogramma.

“Il nostro team di quattro persone qui alla UA è in grado di produrre immagini di un buco nero scientificamente più accurate in pochi secondi,” ha detto Ozel, professore di astronomia e fisica presso lo Steward Observatory. “E’ un po’ come gareggiare con gli steroidi”, ha spiegato. “El Gato utilizza un’architettura massicciamente parallela di processori grafici che lavorano fianco a fianco, e ogni nodo è in grado di realizzare il rendering in tempo reale.”

Nell’ambito di una collaborazione che comprende il primo autore delle ricerche, il borsista postdottorato Chan, e ricercatori della Harvard University e del MIT, il team di ricerca di Psaltis e Ozel ha sviluppato algoritmi software in grado di calcolare i percorsi di milioni di singoli fotoni che attraversano il buco nero in pochi secondi.

Finanziato dalla National Science Foundation e dalla NASA, le simulazioni al computer sono un passo cruciale prima del tentativo degli astronomi di cercare il buco nero con il progetto EHT, funzionando come una sorta di campo guida di quello che gli astronomi dovrebbero cercare una volta che il progetto EHT sarà attivo.

EHT vuole unire i radiotelescopi in tutto il mondo per creare un telescopio virtuale delle dimensioni della Terra. Questi includeranno anche l’Arizona Radio Observatory della UA e il South Pole Telescope, dotato di nuovi ricevitori costruiti da un gruppo guidato dall’assistente professore di astronomia Daniel Marrone.

“Non saremmo in grado di osservare un buco nero sullo sfondo di un cielo nero”, ha detto Ozel. “Perciò, cerchiamo altre firme che possano dirci della presenza di un buco nero.”

Il campo gravitazionale intorno a un buco nero è così grande che di fatto inghiotte qualsiasi cosa che giunge nella sua portata. Nemmeno la luce può sfuggire alla sua presa. Per questa ragione, i buchi neri si chiamano così: non emettono alcuna luce di sorta, e la loro assenza di emissioni, una sorta di buco vuoto privo di radiazioni, si fonde col vuoto dell’universo.

Quando la materia arriva sotto l’incantesimo gravitazionale del buco nero, di forma una sorta di ingorgo cosmico, in cui il gas turbina intorno al buco nero come l’acqua che circonda lo scarico di un lavandino. Quando la materia si comprime, l’attrito risultante la trasforma in plasma riscaldato a un miliardo di gradi o più, provocando un “bagliore” – che gli astronomi possono rilevare qui sulla Terra.

“Le nostre simulazioni dimostrano che esiste un luogo in cui i fotoni indugiano e formano un anello che delinea l’ombra del buco nero”, ha detto Psaltis. “Questo anello di luce rende il buco nero più facile da trovare. Così le simulazioni ci aiutano a trovare modi per distinguere questa firma caratteristica del vortice di plasma attorno al buco nero.”

Cercando di osservare il bagliore della materia attorno al buco nero prima che vada oltre il bordo e per tuffarsi negli abissi dello spazio e del tempo, gli scienziati possono vedere solo il contorno del buco nero, la sua cosiddetta ombra.

Oltre a fornire basi per le osservazioni dell’esperimento EHT, le simulazioni sosterranno NICER, una nuova missione della NASA sulla Stazione Spaziale Internazionale per aiutare gli scienziati a capire meglio le stelle di neutroni e per testare i metodi di navigazione per futuri veicoli spaziali utilizzando le stelle di neutroni come orologi estremamente precisi.