Un secolo di relatività… sperimentale!

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29 maggio 2019

di Emiliano Ricci

Composizione digitale di 22 immagini dell’eclissi di Sole dell’11 agosto 1999 (Science Photo Library / AGF) 

Il 29 maggio 1919 la teoria generale della relatività di Albert Einstein ottenne la sua prima conferma sperimentale grazie a un’eclissi totale di SoleLa guerra, si sa, non rende mai agevoli le comunicazioni, soprattutto se ci si trova su fronti contrapposti, a combattere gli uni contro gli altri. E nel 1915, anno in cui il tedesco Albert Einstein presentò all’Accademia prussiana delle scienze la sua teoria della relatività generale, l’Impero tedesco e l’Impero britannico (come si chiamavano allora) erano impegnati – assieme a gran parte dei paesi europei – nel tentativo di annientarsi reciprocamente, piuttosto che a scambiarsi informazioni scientifiche. Pubblicata in tedesco, su una rivista tedesca, la nuova teoria della gravità non trovò inizialmente una grande diffusione, né fra gli scienziati né, tantomeno, fra il pubblico.

Fortuna volle che i Paesi Bassi, durante un conflitto che stava devastando l’intero continente, fossero rimasti neutrali. All’epoca, all’Università di Leida, prestigiosa istituzione olandese, era professore un certo Willem de Sitter, matematico e fisico, diventato più tardi noto per i suoi studi di cosmologia (proprio grazie all’applicazione della teoria della relatività generale). Arrivatagli notizia della teoria di Einstein, de Sitter – scienziato illuminato – ne comprese presto l’importanza e decise di divulgarne i contenuti principali scrivendo alcuni articoli in lingua inglese.

Fu proprio grazie a questo passaggio in una terra neutrale che la teoria della relatività poté varcare il canale della Manica e arrivare in Inghilterra, dove trovò subito un sostenitore entusiasta: l’astrofisico Arthur Stanley Eddington, già titolare delle cattedre di astronomia teorica e sperimentale a Cambridge. È curioso pensare che Eddington iniziò ad apprezzare il lavoro di Einstein, ancora prima che per la rilevanza in fisica, per l’eleganza dell’elaborazione matematica. Fatto è che, grazie a questa sua immediata attenzione nei confronti della nuova teoria della gravità, quest’ultima trovò modo di diffondersi anche nei paesi anglosassoni, in particolare proprio per un celebre articolo scritto da Eddington stesso, dal titolo Report on the Relativity Theory of Gravitation, pubblicato nel 1920 dalla Physical Society of London.

Sir Arthur Stanley Eddington (1882-1944)

Eddington, a quel punto, non era più solo affascinato dalla “bellezza matematica” della teoria di Einstein, ma aveva potuto saggiarla sul campo, mettendola direttamente alla prova dei fatti. L’anno prima, quindi nel 1919, era riuscito a farsi finanziare dalla Royal Society e dalla Royal Astronomical Society una costosa missione scientifica volta proprio a dimostrare per la prima volta sperimentalmente la validità della teoria di Einstein. A convincere le due prestigiose istituzioni britanniche fu ancora uno scritto di Eddington, che nel 1918 – a guerra ancora in corso, quindi in condizioni di grande difficoltà anche economica del paese, impegnato nello sforzo bellico – arrivò a tessere le lodi di una teoria formulata da un tedesco (quindi tecnicamente un nemico) scrivendo una relazione per diffonderla fra i suoi colleghi britannici ed esaltando proprio la bellezza della “potenza insita nel ragionamento matematico”, come scrisse nella prefazione.

E siamo quindi al 1919, il 29 maggio, per la precisione. Un secolo fa esatto. La missione scientifica richiesta da Eddington riguardava l’osservazione dell’eclissi totale di Sole che si verificò proprio in quella data. Lo scopo dichiarato era effettuare misurazioni che avrebbero permesso di valutare le previsioni della teoria di Einstein relativamente alla deflessione dei raggi di luce a opera del campo gravitazionale. L’idea era misurare le posizioni apparenti di alcune stelle di sfondo in prossimità del disco solare occultato dalla Luna e di confrontarle con le rispettive posizioni assunte a distanza di alcuni mesi, quando quelle stesse stelle si trovano angolarmente più distanti dal Sole e possono pertanto essere osservate di notte. Quell’eclissi si verificava in condizioni particolarmente favorevoli da questo punto di vista: il campo stellare da osservare era quello dell’ammasso delle Iadi, nella costellazione del Toro, composto da stelle piuttosto luminose e facilmente riconoscibili.

Per inciso, la deflessione della luce è anche all’origine del fenomeno delle lenti gravitazionali: quando lungo la linea di vista fra noi e una sorgente lontana si trova una galassia o anche un ammasso di galassie, la luce della sorgente lontana viene deflessa più o meno intensamente proprio a causa della presenza di quella grande massa. Il risultato è che la sorgente lontana (un quasar, una galassia e così via) viene osservata deformata e talvolta addirittura moltiplicata. La lente gravitazionale – appunto la massa della galassia o dell’ammasso di galassie lungo la linea di vista – può deflettere in maniera diversa la luce a seconda della distribuzione della sua massa, potendo produrre anche immagini multiple della stessa sorgente lontana.

Ma torniamo a Eddington e alla “sua” eclissi. Per tutelarsi da eventuali problemi logistici, meteorologici e altro, furono organizzate due spedizioni scientifiche, naturalmente in due località toccate dalla fascia di totalità dell’eclissi, che avrebbe attraversato l’Oceano Atlantico, dal Brasile all’Africa occidentale. Sotto il coordinamento complessivo di Eddington, la prima spedizione, guidata dall’astronomo Andrew Crommelin, dell’Osservatorio di Greenwich, ebbe come destinazione Sobral, nel nord del Brasile, l’altra l’isola Príncipe, al largo delle coste africane della Guinea, guidata dallo stesso Eddington. E, a posteriori, bisogna dire che l’idea di organizzare due spedizioni fu vincente. Le osservazioni di Eddington furono di bassa qualità, prevalentemente per motivi meteo, mentre da Sobral il gruppo di Crommelin osservò l’eclissi in condizioni ottimali.

Le misurazioni sulle lastre raccolte da più strumenti, rese difficoltose non solo dalla qualità delle immagini, che mostravano poche stelle riconoscibili, ma anche dall’entità della deflessione (inferiore a 2 secondi d’arco), portarono a risultati incerti affetti da errori piuttosto rilevanti, ma comunque compatibili con le previsioni di Einstein. E in ogni caso Eddington non si fece frenare dall’incoerenza di alcuni numeri: la conclusione delle necessarie elaborazioni fu che la teoria generale della relatività era confermata (e, verrebbe da dire, non poteva essere altrimenti).

L’annuncio che la teoria di Einstein aveva ricevuto la prima conferma sperimentale, dato il 6 novembre dello stesso anno nel corso di una riunione congiunta dei due enti finanziatori, Royal Society e Royal Astronomical Society, ebbe immediata e ampia eco non solo nella comunità scientifica, ma anche su quotidiani e riviste sia britanniche sia statunitensi, consegnando definitivamente l’ex oscuro impiegato dell’Ufficio brevetti di Berna alla fama mondiale.

Fu così che, nonostante le ampie e giustificate critiche portate da molti fisici di rilievo alle misurazioni realizzate da Eddington e collaboratori, la relatività generale prese il volo. Un successo più che meritato, certo, anche perché quella nuova e rivoluzionaria teoria della gravità, dopo quella prima verifica, è stata sottoposta a numerose altre verifiche sperimentali che hanno – almeno fino a oggi – confermato la sua validità, ma che, almeno in quel momento, fece affidamento più sul grande entusiasmo di Eddington nei confronti della teoria che sulla reale affidabilità dei dati raccolti durante quell’eclissi di un secolo fa.

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Un buco nero supermassiccio rinnegato | Reccom Magazine

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Gli astronomi hanno scoperto un buco nero supermassiccio che è stato spinto fuori dal centro di una galassia distante da quella che potrebbe essere l’incredibile potenza delle onde gravitazionali.

Origen: Un buco nero supermassiccio rinnegato | Reccom Magazine

Due astrofisici in cima al podio di GiovedìScienza

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VA A UN TEAM INAF ANCHE IL PREMIO “FUTURO”

Sono Edwige Pezzulli e Andrea Longobardo – entrambi ricercatori all’Inaf di Roma – la prima e il secondo classificati nell’ottava edizione del concorso rivolto a scienziati under-35. Buchi neri primordiali e microbilance i loro temi di ricerca. La consegna del premio si è svolta ieri al Salone del Libro di Torino

di Marco Malaspina

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venerdì 10 Maggio 2019 @ 17:57

09.05.2019

Edwige Pezzulli, prima classificata, ricercatrice all’Osservatorio astronomico dell’Inaf di Roma. Fonte: pagina Facebook di GiovedìScienza

Sei minuti e 40 secondi per presentare nel modo più efficace possibile la propria attività di ricerca. Venti slides da venti secondi ciascuna. E un’età inferiore ai 35 anni. Questi i rigidi vincoli imposti ai concorrenti del Premio GiovedìScienza, giunto quest’anno all’ottava edizione. Dieci i finalisti rimasti in gara, tre dei quali astrofisici dell’Inaf: Enrico Corsaro dell’Osservatorio di Catania, Andrea Longobardo dello Iaps di Roma ed Edwige Pezzulli, astrofisica in fase di transizione – fino all’estate scorsa all’Osservatorio di Roma e dai prossimi mesi negli Stati Uniti, all’università di Miami.

Ed è stata proprio quest’ultima, Edwige Pezzulli, con una presentazione sui primissimi buchi neri, a sbaragliare la concorrenza, conquistando i voti della giuria – uno per ciascuno dei cinque giurati e uno per ciascuna delle cinque scuole – e aggiudicandosi, insieme al primo posto, un bell’assegno da 5000 euro. «Non era semplice, avevo meno di sette minuti per spiegare un argomento molto complesso: come si sono formati i buchi neri primordiali. L’ho fatto ricorrendo a un parallelismo con i nostri alberi genealogici», dice Pezzulli a Media Inaf. E i soldi del premio, come se li spenderà? «Essendo in una fase lavorativa molto precaria, mi sa che per il momento me li metto sotto il cuscino…».

Andrea Longobardo (con l’assegno in mano), secondo classificato nonché vincitore ex aequo del premio “Futuro”, ricercatore all’Inaf Iaps di Roma. Fonte: pagina Facebook di GiovedìScienza

La premiazione si è svolta ieri, giovedì 9 maggio, al Salone del Libro di Torino, e sul podio insieme a Pezzulli c’era anche un altro astrofisico, Andrea Longobardo. Secondo classificato per GiovedìScienza, Longobardo ha poi vinto – a pari merito con Emilia Petronijevic del Dipartimento di scienze di base e applicate per l’ingegneria della Sapienza – il “Premio Futuro” per il miglior studio di fattibilità. Il suo argomento erano le microbilance, ed è all’intero teamdella pluripremiata microbilancia Cam – del quale fanno parte, oltre a Longobardo, anche Ernesto Palomba e Fabrizio Dirri, tutti dell’Inaf Iaps di Roma – che è andato l’assegno da 1500 euro.

«Il premio “Futuro” proprio a me, che ero il più “anziano” fra i dieci partecipanti…», scherza Longobardo, che con i suoi 35 anni di prospettive per il futuro ne ha ovviamente in abbondanza. E ha già ben chiaro anche di cosa si occuperà nei prossimi mesi. «Continuerò a dedicarmi alla missione Rosetta, che sebbene sia terminata sta ancora fornendo molti dati. E al progetto delle microbilance, sia per impieghi spaziali sia qui, sulla Terra, per il monitoraggio delle polveri sottili».

Per saperne di più:

Una nuova fisica alle porte?

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“Solo lo stupore conosce” (Gregorio di Nissa)

E’ una immagine molto suggestiva, e questo è innegabile. Ma potrebbe essere anche decisamente di più. Nessuna sorpresa, in questo. Spesso la bellezza e l’importanza scientifica si fanno compagnia, del resto. Una frase attribuita a Platone recita che la bellezza è lo splendore del vero.

Sia di chi sia, ci piace farla nostra, almeno in questo caso.

Ma vediamo un po’. Si tratta della regione di formazione stellare chiamata N11 ed è senza dubbio la parte più “viva” ed esuberante della Grande Nube di Magellano, uno delle galassie vicine alla nostra più importanti ed ingombranti, con riguardo alla massa totale.

Crediti: NASAESARiconoscimenti: Josh Lake

Questa immagine poi è stata acquisita con il Telescopio Spaziale Hubble, e dietro alla sua bellezza – possiamo dirlo – c’è anche un buon lavoro artistico, una sorta di paziente cesellamento digitale che è valso all’utore un premio, chiamato significativamente Hubble’s Hidden Treasures (appunto, i tesori nascosti di Hubble).

Adesso, messa l’arte un attimo da parte, uno studio nuovo nuovo sulle stelle variabili della Grande Nube, sta creando un po’ di subbuglio su alcune nozioni (ritenute quasi acquisite) che abbiamo spesso riportato anche qui, e precisamente sulla scala delle distanza dell’universo osservabile.

Detto molto di passaggio, le stelle variabili sono fondamentali, perché da come si illuminano (la teoria che abbiamo a disposizione è davvero precisa) possiamo capire quanta luce fanno in assoluto, e dunque quanto sono lontane.

Il problema, in soldoni, sarebbe questo. La scala di distanze che abbiamo ottenuto appare un po’ diversa da quella che abbiamo costruito usando la radiazione cosmica di fondo. Per essere precisi, è il valore della costante di Hubble (chiamata Ho) – che regola il tasso di allontanamento dei corpi celesti – che risulta differente. Questa divergenza tra il valore della “costante” ottenuto usando due metodi diversi, è una cosa davvero importante che va compresa, perché potrebbe aprire le porte al nuovo.

Del resto, le cose sono semplici. O uno dei due sistemi per calibrare Ho è sbagliato – ed allora dobbiamo capire quale e in che modo – oppure l’universo ci “segnala”, con questo scarto, che stiamo scivolando su qualcosa che invece attende di essere capito. Che è pronto per essere capito (ovvero, siamo noi ad essere pronti). Potrebbe essere necessario, ad esempio (e qui si fa interessante) rivedere in qualche modo i modelli cosmologici, così intimamente legati al moto di espansione stesso.

Davvero, come si diceva in altra sedeil cosmo è un laboratorio molto particolare, perché riflette e ci invia di ritorno, con matematica esattezza, il medesimo schema di pensiero con il quale lo interroghiamo.

Così gli scarti sulle misure, le tensioni tra misure e modello, nella storia della scienza, sono state sovente il segnale della necessità – maturata nel tempo – di trascendere il modello, di sostituirlo con uno “all’altezza della nostra nuova domanda”. O comunque di modificarlo, nello stesso senso.

E’ presto per dire che una nuova fisica è alla porte, certamente. E’ presto anche se tanti segnali, sembra, ci portano in quella direzione.

Comunque, c’è da speculare poco, e stare aderenti al dato, al dato empirico: vedremo in questo caso, anche in questo caso, a che cosa siamo chiamati.

A quale nuova comprensione del cosmo possiamo finalmente aprirci.

Radiotelescopio FAST – Five hundred meter Aperture Spherical Telescope

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FastTelescope*8sep2015.jpg
Mappa di localizzazione: Cina
Radiotelescopio FAST
Stato Cina
LocalitàContea di Pingtang
Coordinate25°39′10.5″N106°51′23.7″ECoordinate25°39′10.5″N 106°51′23.7″E (Mappa)
Sitofast.bao.ac.cn/
Telescopi
FASTRadiotelescopio 500 m

Il FAST, acronimo di Five hundred meter Aperture Spherical Telescope (“Telescopio sferico con apertura di cinquecento metri”; in cinese: 五百米口径球面射电望远镜), è un radiotelescopio collocato nel sudovest della Cina, posizionato nella concavità di un bacino naturale (cinese: 大窝凼洼地; letteralmente: “depressione Da Wo Dang”) nella contea di Pingtang, nella provincia del Guizhou.

Il progetto per la costruzione del FAST ha avuto inizio nel 2011 ed è stato completato a settembre 2016. Attualmente è il radiotelescopio più grande e più sensibile al mondo, tre volte più sensibile del radiotelescopio dell’Osservatorio di Arecibo.[1][2] Il suo costo previsto di 700 milioni di yuan[3] (circa 110 milioni di dollari statunitensi o 100 milioni di euro) è lievitato fino a raggiungere il valore finale di 1,2 miliardi di yuan (circa 160 milioni di euro)[4].

Indice

Storia

La prima proposta del radiotelescopio fu fatta nel 1994. Il progetto fu approvato dalla Commissione nazionale per lo sviluppo e la riforma della Repubblica popolare cinese a giugno 2007.[5] Il 26 dicembre 2008 si è tenuta la cerimonia di posa della prima pietra nel sito di costruzione.[6] La costruzione vera e propria, iniziata a marzo 2011,[3][7] si è conclusa nel 2016.[7][8] Il radiotelescopio è stato poi attivato a settembre 2016.

Descrizione

FAST è composto da 4600 pannelli triangolari ed ha un design simile a quello del Radiotelescopio di Arecibo. Utilizza una depressione carsica naturale come supporto per la parabola del telescopio. Come suggerito dal nome, ha un diametro di 500 metri (1600 ft). A differenza dalla parabola dello strumento di Arecibo, che ha una curvatura sferica fissa (e quindi un complesso sistema per contrastare l’aberrazione sferica), FAST usa una superficie ottica attiva che modifica di continuo per creare una parabola allineata il meglio possibile con la porzione desiderata di cielo. FAST ha una dimensione effettiva utilizzabile della parabola di 300 m (paragonata al diametro effettivo di Arecibo, pari a 200 m). È capace di coprire il cielo all’interno di un angolo di 40° dallo zenith (comparato ai 20° gradi di Arecibo). Lo spettro di frequenza di funzionamento si estende da 70 MHz a 3.0 GHz,[2][9] con una precisione di puntamento di 4 secondi d’arco.[5]

Lo sfruttamento di una depressione carsica, larga a sufficienza per consentire di ospitare i 500 metri della parabola del telescopio e abbastanza profonda da consentire uno zenith di 40°, ha facilitato la costruzione della parabola, riducendo i tempi per i lavori di sbancamento. La cabina di ricezione del segnale — sospesa a 140 m sopra il riflettore — è sostenuta e guidata da cavi e da servomeccanismi con l’aggiunta di un robot secondario che serve da sistema di regolazione fine per gli spostamenti di precisione.

Il responsabile scientifico del progetto è Nan Rendong (cinese: 南仁东),[8] ricercatore dell’Osservatorio astronomico nazionale della Cina , che fa parte della Accademia cinese delle scienze.

Collaborazioni

Ad ottobre 2016 il FAST ha annunciato una collaborazione[10] con il progetto SETI Breakthrough Listen al fine di rilevare segnali artificiali provenienti dalla stella KIC 8462852 (stella di Tabby), progetto avviato in seguito a differenze anomale di luminosità rilevate dal telescopio Kepler.

Note

  1. ^ “China starts building world’s biggest radio telescope”.
  2. ^ Salta a:a b Nan, Rendong.
  3. ^ Salta a:a b Darren Quick (2011-06-16).
  4. ^ (EN) Agence France-Presse, China starts up world’s largest single-dish radio telescope, in The Guardian, 25 settembre 2016. URL consultato il 31 ottobre 2016.
  5. ^ Salta a:a b Jin, C. J.; Nan, R. D.; Gan, H. Q. (2007).
  6. ^ “中国科学院·贵州省共建国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜(FAST)项目奠基” Archiviato il 12 gennaio 2009 in Internet Archive..
  7. ^ Salta a:a b Rendong Nan, Di Li, Chengjin Jin, Qiming Wang, Lichun Zhu, Wenbai Zhu, Haiyan Zhang, Youling Yue, Lei Qian (2011-05-20).
  8. ^ Salta a:a b McKirdy, Euan (12 October 2015).
  9. ^ “Receiver Systems”.
  10. ^ Monster Chinese Telescope to Join Tabby’s Star Alien Hunt, in Space.com. URL consultato il 1º novembre 2016.

Voci correlate

Altri progetti

 Portale Astronomia Portale Cina Portale Elettromagnetismo

Categorie

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FAST – Il super radiotelescopio

Astrofisica/Astrophysics, Astronomi Gesuiti/Jesuit Astronomers, Astronomia/Astronomy, Brother Guy Joseph Consolmagno SJ, Città del Vaticano/Vatican City, Collaborazione Specola Vaticana/Vatican Observatory Collaboration, Compagnia di Gesù/Society of Jesus, Consorzio Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi/Event Horizon Telescope Consortium (Ehtc), Father David Brown SJ, Father Gabriele Gionti SJ, Father George V. Coyne SJ - Director of the Vatican Observatory (1978 - 2006), Fisica/Physics, Fratello Guy Joseph Consolmagno SJ, Geologia/Geology, Gesuiti/Jesuits, Grande Schieramento Millimetrico di Antenne Radio in Atacama/Atacama Large Millimeter Array (ALMA), Intelligenza Artificiale/Artificial Intelligence, Matematica/Mathematics, Oggetti Volanti Non Identificati (OVNI)/Unidentified Flying Objects (UFO), Osservatori Astronomici Australiani/Australian Astronomical Observatories, Osservatori Astronomici/Astronomical Observatories, Osservatorio Australe Europeo (ESO)/European Southern Observatory (ESO), Osservatorio del Sud Europeo (ESO)/European Southern Observatory (ESO), Osservatorio di Antenne Radio di un Chilometro Quadrato/Square Kilometre Array Observatory (SKAO), Osservatorio Europeo Australe (ESO)/European Southern Observatory (ESO), Osservatorio Europeo del Sud (ESO)/European Southern Observatory (ESO), Padre David Brown SJ, Padre Gabriele Gionti SJ, Padre George V. Coyne SJ - Direttore della Specola Vaticana (1978 - 2006), Pianeti del Sistema Solare/Planets of the Solar System, Pianeti Extrasolari/Extrasolar Planets, Progetto SETI/SETI Project, Sonde Interplanetarie/Interplanetary Probes, Specola Vaticana/Vatican Observatory, Storia dell'Astrofisica/History of Astrophysics, Telescopi Spaziali/Space Telescopes, Telescopio dell'Orizzonte degli Eventi/Event Horizon Telescope (EHT), Telescopio Sferico con Apertura di Cinquecento Metri/Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope (FAST), Telescopio Spaziale James Webb/James Webb Space Telescope, Unione Astronomica Internazionale/International Astronomical Union (IAU), Vita Extraterrestre/Extraterrestrial Life, Vita intelligente Extraterrestre/Extraterrestrial intelligent Life

Mission impossible per l’Event Horizon Telescope

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27 MAR 2017

di Corrado Ruscica

UNO SGUARDO NELL’OMBRA DI SAGITTARIUS A* È tutto pronto per scattare la foto del secolo. Un insieme di otto osservatori simulerà un radiotelescopio delle dimensioni della Terra allo scopo di intravedere il moto del gas incandescente che circonda il buco nero supermassiccio della Via Lattea. Quali le sfide e le attese? Ne parliamo con Heino Falcke, presidente del consiglio scientifico dell’Eht, e Ciriaco Goddi, responsabile scientifico del progetto BlackHoleCam

Astroshop.it

L’immagine illustra una simulazione numerica relativa al moto del gas magnetizzato che ruota attorno al buco nero emettendo onde radio in banda millimetrica. Si nota anche come viene piegata e assorbita la luce dal buco nero. Crediti: M. Moscibrodzka, T. Bronzwaar & H. Falcke

Se il 2016 è stato l’anno delle onde gravitazionali, il 2017 non sarà da meno. C’è tanta attesa ed entusiasmo, ma anche qualche apprensione, per quella che è stata definita la “foto del secolo”, o forse di sempre, che avrà come obiettivo l’orizzonte degli eventi di un buco nero.

Otto radiotelescopi sparsi sul globo uniranno le loro forze agendo virtualmente come una singola, potente antenna delle dimensioni della Terra. L’Event Horizon Telescope (Eht), un nome appropriato per significare l’importanza di questa impresa titanica, punterà le antenne verso il centro della Via Lattea, cercando di spiare il buco nero che si cela nel nucleo della nostra galassia. Se questo tentativo avrà successo, le spettacolari immagini, che saranno pubblicate tra la fine di quest’anno e gli inizi del 2018, potrebbero aiutare gli astronomi a verificare le predizioni di Einstein e conoscere più da vicino non solo Sagittarius A* (Sgr A*) ma anche il buco nero supermassivo della galassia ellittica gigante M87, l’altro obiettivo dell’esperimento.

Le precedenti osservazioni di Sgr A*, realizzate con un network di radiotelescopi che operano a frequenze radio più basse rispetto all’Eht, hanno fornito solo immagini indicative, dalla forma a blob, poiché non sfruttavano un elevato potere risolutivo. Le misure fatte finora con l’Eht hanno invece raggiunto una risoluzione angolare intorno ai 60 microsecondi d’arco. Nonostante questa spettacolare risoluzione angolare (equivalente al diametro sotteso da una mela posta sulla superficie della Luna), queste misure non hanno consentito di ottenere un’immagine della sorgente, perché il network era costituito da soli 3-4 elementi. Ma c’è qualche speranza, poiché il coinvolgimento di altri strumenti in banda millimetrica come Alma (Cile) e il South Pole Telescope (Antartide), rispetto alla rete di radiotelescopi situati in Hawaii, Spagna, Messico e Arizona, permetterà di migliorare la risoluzione angolare e le aspettative in termini della ricostruzione delle immagini.

Ciriaco Goddi, , BlackHoleCam project scientist alla Radboud University, Nijmegen, in Olanda e astronomo presso l’Alma Regional Center a Leiden, sempre in Olanda

«Un elemento fondamentale per l’attuazione di questo piano è l’Atacama Large Millimeter Array (Alma), che è il radiotelescopio più sensibile mai costruito in banda millimetrica, situato nel deserto di Atacama nelle Ande Cilene, a 5100 m sul livello del mare, il deserto più alto e secco al mondo», spiega a Media Inaf Ciriaco GoddiBlackHoleCam project scientist alla Radboud University, Nijmegen, in Olanda e astronomo presso l’Alma Regional Center a Leiden, sempre in Olanda. «Alma è un insieme di 50 antenne singole di 12 metri di diametro, per il quale è stato sviluppato un dispositivo (detto beamformer) in grado di aggregare l’intera area di raccolta dell’array in un unico elemento: in tale sistema tutte le 50 antenne sono combinate per agire congiuntamente come un unico elemento gigante (equivalente ad un radiotelescopio di ben 84 metri di diametro) all’interno dell’Eht. L’inserimento di questo “fuoriclasse” nella rete di radiotelescopi è ciò che consentirà un salto di qualità nelle prestazioni dell’Eht, sia in termini di risoluzione che di sensibilità, permettendo così di “mettere a fuoco” il buco nero supermassiccio al centro della nostra Via Lattea».

Operando insieme, le antenne simuleranno un singolo gigantesco strumento delle dimensioni della Terra che sarà in grado di “vedere” direttamente l’orizzonte degli eventi, quel confine che circonda i buchi neri dove tutto ciò che passa non torna mai più indietro, e rivelare la cosiddetta “ombra” di Sgr A*. Di fatto, grazie alla tecnica dell’interferometria radio a lunghissima linea di base (Vlbi), si otterrà il livello più alto di risoluzione spaziale di ogni altro attuale strumento astronomico. Nel caso di Sgr A*, che si estende per circa 24 milioni di chilometri (circa 17 volte più grande del Sole) e che si trova a 26 mila anni-luce, “scattare una foto” è una missione impossibile: il raggio di Schwarzschild risulta decisamente piccolo (10 microsecondi d’arco).

«Una cosa da tener presente è che noi non risolveremo 10 microsecondi d’arco», fa notare Goddi. «Infatti, grazie all’effetto della lente gravitazionale dovuta all’enorme gravità attorno all’orizzonte degli eventi, lo spaziotempo viene talmente “curvato” che il raggio di 10 microsecondi d’arco diventa in realtà (visto da noi) 25 microsecondi d’arco. Perciò la dimensione (angolare) dell’ombra del buco nero, creata dall’orizzonte degli eventi, vista da Terra, sarà di 50 microsecondi d’arco. È questa la risoluzione angolare che EHT può raggiungere facilmente».

L’immagine illustra una simulazione numerica relativa a un getto relativistico che ha origine nel buco nero e che emette onde radio (banda di frequenza 50 GHz o lunghezza d’onda di 7mm). Si nota il disco di materia che accresce al centro del buco nero e i due getti simmetrici in direzione perpendicolare al disco. Crediti: T. Bronzwaar, M. Moscibrodzka, & H. Falcke

Nonostante ciò, gli astronomi sperano di poter vedere le regioni immediatamente più esterne dove il gas viene trascinato nel disco di accrescimento che circonda il buco nero e come la materia viene espulsa lungo i getti. La speranza è anche quella di poter definire la dimensione e la forma dell’orizzonte degli eventi e verificare se la relatività generale sia ancora valida in condizioni estreme. Gli scienziati hanno eseguito tantissime simulazioni per analizzare le possibili configurazioni che può assumere il gas e in tutti i casi la scelta è caduta sul valore di 1,3 mm. In altre parole, per penetrare la nube di polveri e “vedere” l’orizzonte degli eventi, occorrerà che il gas caldo si trovi in prossimità di questa zona di non ritorno mostrandosi luminoso e brillante a questa lunghezza d’onda, così come sperano gli astronomi. Inoltre, la luce dovrà propagarsi senza trovare particolari ostacoli arrivando a Terra, dopo aver attraversato l’atmosfera, fino a raggiungere le parabole dei radiotelescopi: ancora una volta, la scelta di utilizzare una lunghezza d’onda di 1,3 mm (230 GHz) sembra essere quella giusta.

Diversi gruppi hanno già sviluppato una serie di algoritmi per ricostruire le immagini dalle osservazioni, che permetteranno di limitare imperfezioni derivanti dalle prestazione degli strumenti o la presenza di rumore causati dall’atmosfera terrestre. I ricercatori sperano anche di realizzare dei filmati relativi al moto del gas, spingendo oltre i limiti le capacità di imaging degli stessi algoritmi. Queste osservazioni potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere come alcuni oggetti supermassivi in altre galassie appaiano estremamente attivi, risucchiando voracemente materia ad un ritmo forsennato ed espellendo il resto lungo spettacolari getti relativistici che si estendono nello spazio fin oltre la galassia ospite, mentre altri come Sgr A* sembrano essere a dieta.

L’immagine illustra il risultato aspettato dalle imminenti osservazioni con l’Eht, dove l’immagine simulata del plasma intorno al buco nero è stata ricostruita usando uno degli algoritmi costruiti ad-hoc per l’esperimento (eht-imaging). Come si può notare, l’immagine non è del tutto fedele alle simulazioni numeriche (come quella della figura in apertura), ma già queste prime osservazioni potrebbero rivelare le prime indicazioni della cosiddetta ”ombra” intorno al buco nero. Crediti: C. Goddi, F. Roeloff, M. Moscibrodzka.

Secondo alcune simulazioni, le immagini dovrebbero assomigliare a quelle di una mezzaluna, anziché a un blob così come previsto da altri modelli. La forma a mezzaluna deriva dalla presenza del disco di accrescimento. Data la sua rotazione attorno al buco nero, il lato del disco che si muove verso l’osservatore diventerà più luminoso, a causa dell’effetto Doppler relativistico, mentre il lato del disco che si allontana dall’osservatore apparirà più debole. Al centro della mezzaluna crescente si dovrebbe intravedere un cerchio più scuro, la cosiddetta “ombra del buco nero”, che rappresenta effettivamente l’oggetto centrale massiccio, mentre la luce risulterà talmente deflessa a causa dall’intenso campo gravitazionale.

Ma che cosa osserverà esattamente l’Eht? «Sappiamo che l’emissione radio viene emessa da una regione molto vicina al buco nero. Più alta è la frequenza e più vicina all’orizzonte degli eventi del buco nero viene emessa la radiazione», spiega Heino Falcke del Department of Astronomy, Radboud University Nijmegen, Olanda, e presidente del consiglio scientifico dell’Event Horizon Telescope. «L’orizzonte degli eventi è una sorta di membrana unidirezionale attraverso cui qualsiasi cosa, persino la luce, può solo sparire e mai tornare indietro. Quindi, ci aspettiamo di vedere una vera “buca” di luce, circondata da un anello luminoso, che chiamiamo la “ombra” dell’orizzonte degli eventi. Ad ogni modo, nel corso dei primi anni di osservazioni la nostra risoluzione e qualità non saranno probabilmente abbastanza ottimali, perciò potremmo vedere una struttura complicata e distorta che potrebbe assomigliare molto a una “arachide”. Solo col tempo e forse sfruttando le frequenze più elevate, saremo in grado di ottenere un’immagine veramente nitida della regione più esterna del buco nero».

Heino Falcke del Department of Astronomy, Radboud University Nijmegen, Olanda, e presidente del consiglio scientifico dell’Event Horizon Telescope.

Falcke è stato il primo a proporre nel 1998 e poi nel 2000 l’idea di creare l’immagine dell’ombra del buco nero galattico. Lo scienziato ha poi sviluppato, assieme al suo team, un modello per spiegare l’origine dell’emissione radio da Sgr A* proveniente da una parte del plasma che sfugge alla morsa del buco nero sottoforma di un getto relativistico.

Le osservazioni, che saranno effettuate in una finestra temporale dal 5 al 14 aprile, per cinque notti, dovranno affrontare alcuni ostacoli.

«Il maggiore ostacolo che dovremo affrontare durante le osservazioni il prossimo mese è dato dalle condizioni climatiche, in particolare dal tasso di umidità o più precisamente dal contenuto di vapore acqueo nella troposfera», dice Goddi. «Il suo effetto non è solo quello di attenuare il già debole segnale, ma è anche quello di “distorcere” il fronte delle onde radio, per cui una volta che queste arrivano ai rivelatori non saremo in grado di ricostruire l’immagine della sorgente che le ha generate. Per questo motivo, noi astronomi del consorzio Eht di presidio nei vari telescopi dovremo decidere se dare o meno il via libera alle osservazioni sulla base di fattori climatici (in primis la colonna di vapore acqueo misurato ai telescopi nei vari siti). Io starò di base ad Alma, lo strumento di gran lunga più importante dell’esperimento, per cui da lì sarà presa la decisione se procedere con le osservazioni o no, sulla base appunto delle condizioni climatiche che saranno presenti durante quei 10 giorni nel deserto di Atacama».

«Per diversi decenni, questo buco nero si è mostrato alquanto noioso, essenzialmente come un blob regolare ed ellittico», aggiunge Falcke. «Ora, con questo esperimento, il suo aspetto dovrebbe cambiare completamente. Abbiamo una chiara predizione dalla teoria di Einstein secondo cui l’orizzonte degli eventi esiste, perciò dovremmo essere in grado di vedere almeno qualche traccia di questo orizzonte degli eventi nei nostri dati. Naturalmente, non è così semplice. Ci piacerebbe avere ancora molti altri radiotelescopi in modo da realizzare un’immagine unica. Di fatto, l’assenza di un solo strumento comprometterebbe la qualità dell’immagine in maniera significativa. Ci sono un sacco di cose che possono andar storto. Le condizioni meteo devono essere ottimali in tutti i siti sparsi sul globo e nello stesso intervallo di tempo di osservazione, il che non è sempre così. La strumentazione può non funzionare. Sono coinvolte tante componenti hi-tech, alcune delle quali sono state installate appositamente per questo esperimento. Dovremo registrare un’enorme mole di dati, dell’ordine dei petabytes, che non possiamo archiviare nelle singole stazioni e perciò parte di essi potrebbero perdersi durante il trasporto dei dischi rigidi. Le persone possono commettere errori durante le ore notturne. Ci sono oltre 30 persone che saranno inviate in questi otto osservatori per salvaguardare le prestazioni dell’esperimento oltre alla presenza degli operatori e tecnici di turno. Si tratta di un’operazione complessa, non ancora standardizzata, dove qualcosa può sempre andar storto».

Gli otto osservatori che formeranno l’Event Horizon Telescope. Crediti: BBC

La relatività generale afferma che una massa, specialmente una così massiccia equivalente a 4 milioni di soli, curvi lo spaziotempo. Questa curvatura può essere calcolata matematicamente perciò la dimensione dell’ombra prodotta da Sgr A* dovrebbe essere o uguale a quella predetta dalla teoria di Einstein oppure no. È un po’ come ripetere l’esperimento che realizzò Eddington durante l’eclisse del 1919 quand’egli misurò la deflessione dei raggi luminosi di stelle vicine al bordo solare dovuta all’azione esercitata dal campo gravitazionale della nostra stella. Ora, quasi un secolo dopo, gli scienziati eseguiranno una misura similare il cui effetto, però, sarà moltiplicato milioni di milioni di milioni di volte in termini della curvatura dello spaziotempo.

Insomma, ottenere un’immagine risolta di Sgr A* sarebbe già un trionfo. Ma il vero obiettivo di questo esperimento è quello di utilizzare le abilità della tecnica di imaging per verificare alcuni aspetti della relatività generale. Se ci sono delle deviazioni dalle idee di Einstein, così come sospettano alcuni scienziati che ipotizzano delle spiegazioni più complete della gravità, allora è proprio in questi ambienti estremi che caratterizzano i buchi neri dove queste limitazioni potrebbero rivelarsi. «Non credo che da queste prime osservazioni potremo provare che Einstein abbia torto o ragione», conclude Falcke. «Ad ogni modo, dovremmo essere in grado di intravedere delle strutture complesse dovute alla presenza dell’orizzonte degli eventi. Questo ci permetterà di confrontare i nostri dati con le simulazioni numeriche molto dettagliate e capire meglio se e di quanto sta ruotando il buco nero e come è orientato. Entro qualche anno, le immagini dovrebbero migliorare sempre più in modo da permetterci di “vedere” in definitiva, e per la prima volta, un vero orizzonte degli eventi, l’estremità finale dello spazio e del tempo».


…e se vuoi saperne di più sui primi passi della radioastronomia in Italia, e sul mastodontico FAST, il radiotelescopio cinese dalla parabola di 500 metri più grande al mondo, leggi Coelum Astronomia 209 di marzo

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Tag: ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimetre Array)BlackholecamBuco NeroBuco Nero Supermassicciocentro galatticoDisco di accrescimentoeffetto DopplerEvent Horizon TelescopeFoto di un buco neroorizzonte degli eventirelatività generaleSagittarius A*Vlbi

Fonte: Media INAF

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“Ho amato troppo le stelle per aver paura della notte”: adoro questa frase di G. Galilei perché riassume la mia viscerale passione per l’Astronomia. Fu all’età di 5-6 anni che rimasi affascinato da alcune immagini in un libro: splendide comete, la Luna e i pianeti, la grandezza Sole, stelle immense e galassie dalla delicata forma a spirale si impressero nella mia mente, cui si aggiunse, qualche tempo dopo, l’osservazione delle stelle sotto cieli scuri, evento che lasciò in me un marchio indelebile nel momento in cui realizzai le enormi distanze cosmiche. Tra studi effettuati in proprio e all’Università e le osservazioni al telescopio, scoprii di avere una particolare propensione per la divulgazione dell’Astronomia, che per me equivale a sviluppare nel prossimo la curiosità verso l’Universo che ci circonda. Presidente del Circolo Culturale Astrofili Trieste, nel corso di lunghi anni ho accumulato centinaia di ore passate al telescopio; ho all’attivo oltre trecento conferenze, l’insegnamento dell’Astronomia in corsi ad hoc e in scuole medie e superiori, oltre un centinaio di pubblicazioni su riviste specializzate del settore.

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28 MAG 2018

di Maura Sandri

L’aggiunta di Apex all’Event Horizon Telescope rivela nuovi dettagli nella struttura asimmetrica e non puntiforme della sorgente Sgr A * al centro della Via Lattea. Il miglioramento della risoluzione angolare conseguito grazie ad Apex rivela ora dettagli dell’ordine di 36 milioni di km: dimensioni che sono solo 3 volte più grandi dell’ipotetica dimensione del buco nero (3 raggi di Schwarzschild). Tutti i dettagli su The Astrophysical Journal.

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Rappresentazione schematica delle osservazioni Vlbi a 1,3 mm di Sagittario A* (Sgr A*) nel centro Galattico, eseguite nel 2013. I riquadri mostrano le possibili forme della sorgente di emissione che risultano essere coerenti con le misurazioni. Per una migliore visualizzazione delle dimensioni angolari, sui modelli viene sovrapposto un cerchio bianco di 50 micro secondi d’arco. La posizione del telescopio Apex nell’emisfero meridionale, in Cile, fornisce linee di base interferometriche più lunghe, consentendo di raggiungere una risoluzione angolare migliore del doppio rispetto alle osservazioni precedenti. Questa configurazione consente infatti di ottendere una risoluzione spaziale di soli 3 raggi Schwarzschild in Sgr A *. Crediti: Eduardo Ros / Thomas Krichbaum (MPIfR)

Gli astronomi stanno tentando di trovare la prova definitiva della teoria della relatività generale di Einstein, cercando di ottenere un’immagine diretta dell’ombra di un buco nero. Questa osservazione è possibile combinando il segnale proveniente da radiotelescopi sparsi in tutto il mondo, utilizzando la tecnica chiamata interferometria a lunghissima base (Very Long Baseline Interferometry, Vlbi). I radiotelescopi coinvolti sono posizionati ad altitudini elevate per ridurre al minimo il disturbo derivante dall’atmosfera, in siti remoti caratterizzati da un cielo sereno, e stanno osservando la radiosorgente compatta Sagittarius A* (Sgr A*), localizzata al centro della Via Lattea.

Il team coinvolto in questa ricerca ha osservato Sgr A* nel 2013, utilizzando i radiotelescopi Vlbi posizionati in quattro siti diversi: il telescopio Apex in Cile, l’array Carma in California, il Jcmt e lo Smaalle Hawaii e il telescopio Smt in Arizona. Sgr A* è stato rilevato in tutte le stazioni e la lunghezza della linea di base (baseline) più lunga ha raggiunto quasi 10mila chilometri, consentendo di raggiungere una risoluzione angolare tale da rivelare una sorgente ultra-compatta e asimmetrica (non puntiforme).

«La partecipazione del telescopio Apex quasi raddoppia la lunghezza delle linee di base più lunghe, rispetto alle osservazioni precedenti, e consente di ottenere una risoluzione spettacolare di soli 3 raggi di Schwarzschild», afferma Ru-Sen Lu del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) di Bonn, in Germania, autore principale della pubblicazione. «Con tale risoluzione è stato pertanto possibile rivelare i dettagli della radio sorgente centrale, che sono più piccoli delle dimensioni attese del disco di accrescimento», aggiunge Thomas Krichbaum, promotore delle osservazioni mm-VLBI con Apex.

La posizione di Apex nell’emisfero australe migliora considerevolmente la qualità dell’immagine di una sorgente posizionata così a sud nel cielo quale è Sagittarius A * (-29 gradi di declinazione). Apex ha spianato la strada verso l’inclusione di Alma nelle osservazioni dell’Event Horizon Telescope (Eht), che attualmente vengono eseguite una volta all’anno.

«Abbiamo lavorato duramente, a un’altitudine di oltre cinquemila metri, per installare l’attrezzatura che ha permesso a Apex di fare osservazioni Vlbi a una lunghezza d’onda di 1,3 mm», afferma Alan Roy di MPIfR, guida del team Vlbi all’Apex. «Siamo orgogliosi delle buone prestazioni che Apex ha dimostrato di possedere in questo esperimento». Il radiotelescopio Apex da 12 m è stato dotato di attrezzature speciali, tra cui registratori a banda larga e un maser a idrogeno molto stabile per eseguire osservazioni interferometriche congiunte con gli altri telescopi Vlbi.

Il team ha utilizzato una procedura di fitting per studiare la struttura di Sgr A* alla scala dell’orizzonte degli eventi. «Abbiamo iniziato a capire quale potrebbe essere la struttura alle scale dell’orizzonte degli eventi, piuttosto che trarre generiche conclusioni dalle visibilità campionate. È molto incoraggiante constatare che una struttura ad anello concorda molto bene con i dati raccolti, anche se non possiamo escludere altri modelli, ad esempio una composizione di spot brillanti», aggiunge Ru-Sen Lu. Le future osservazioni, che verranno effettuate con più telescopi aggiunti a Eht, risolveranno le ambiguità residue ancora insite in queste immagini.

Il buco nero al centro della nostra galassia è inserito in un mezzo interstellare denso, che potrebbe influenzare la propagazione delle onde elettromagnetiche lungo la linea di vista. «Tuttavia, la scintillazione interstellare, che in teoria può portare ad avere distorsioni dell’immagine, non sembra essere un effetto dominante alla lunghezza d’onda di 1,3 mm», afferma Dimitrios Psaltisdell’Università dell’Arizona, project scientist di  Eht.

«I risultati ottenuti sono un passo importante verso lo sviluppo dell’Event Horizon Telescope», afferma Sheperd Doeleman del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e direttore del progetto Eht. «L’analisi di nuove osservazioni, che dal 2017 include anche Alma, ci porterà a compiere un altro passo avanti nell’osservazione per immagini (imaging) del buco nero al centro della nostra Galassia».

Per saperne di più:

https://goo.gl/JXQrPk
233 - 2019
https://view.joomag.com/coelum-astronomia-233-2019/0903546001555344806
232 - 2019
https://view.joomag.com/coelum-astronomia-232-2019/0264288001552836202
231 - 2019
https://view.joomag.com/coelum-astronomia-231-2019/0467113001550567469
230 - 2019
https://view.joomag.com/coelum-astronomia-230-2019/0304338001547805320

Tag: ApexBuco NeroEvent Horizon Telescopeorizzonte degli eventiSagittarius A*Via Lattea

Fonte: Media INAF

Tutto pronto per la foto del secolo

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15 MAR 2019

di Corrado Ruscica

ATTESI A BREVE I RISULTATI PRELIMINARI DI EHT Un grande evento attende astronomi, scienziati e curiosi: se tutto andrà bene, dovrebbe diventare presto disponibile la prima “immagine” ad alta risoluzione mai realizzata di un buco nero, o più precisamente della sua “ombra”. Per saperne di più, Media Inaf ha raggiunto Ciriaco Goddi, responsabile scientifico del progetto BlackHoleCam, che ci svela il ”dietro le quinte” dell’esperimento più atteso dell’anno

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L’immagine illustra una simulazione numerica relativa al moto del gas magnetizzato che ruota attorno al buco nero emettendo onde radio in banda millimetrica. Si nota anche come viene piegata e assorbita la luce dal buco nero. Crediti: M. Moscibrodzka, T. Bronzwaar & H. Falcke

Gli astronomi dell’Event Horizon Telescope Consortium (Ehtc) sono ottimisti. Dopo quasi due anni di elaborazione e analisi di circa quattro petabytes di dati raccolti dalle osservazioni di Sagittarius A* e M 87, realizzate con grande rigore scientifico, verifiche e controlli di qualità, si attende la pubblicazione dei primi risultati. Se questo tentativo avrà successo, le uniche, spettacolari immagini ottenute da un insieme di 8 radiotelescopi sparsi sul globo potrebbero fornire agli astronomi nuovi indizi per verificare le predizioni della relatività generale in condizioni estreme di gravità. Per saperne di più, Media Inaf ha raggiunto Ciriaco Goddi, segretario del consiglio scientifico del consorzio Eht, che ci svela in questa intervista esclusiva il “dietro le quinte” dell’esperimento più atteso dell’anno.

Come sono andate le osservazioni, soprattutto dal punto di vista meteorologico?

«Abbiamo condotto due campagne osservative, la prima nell’aprile 2017 e la seconda nello stesso mese del 2018. Posso affermare, con nostra grande soddisfazione, che le osservazioni del 2017 si sono rivelate un successo totale. Non abbiamo avuto problemi tecnici, se non minimi, e tutti i protocolli necessari per gestire la comunicazione in tempo reale dei radiotelescopi coinvolti nell’esperimento, che hanno osservato simultaneamente la stessa sorgente, hanno funzionato impeccabilmente. Ma il fattore di gran lunga più importante per il successo delle osservazioni sono state le condizioni meteorologiche favorevoli. Abbiamo avuto cieli sereni, è il caso di dire, con pochissima umidità in tutti i siti durante il periodo delle osservazioni e questo non era certamente scontato, perciò siamo stati davvero fortunati. Tuttavia durante le sei notti in cui abbiamo effettuato le osservazioni del 2018 le cose sono andate diversamente. Ricordo, ad esempio, tre notti di tempeste di neve su Mauna Kea nelle Hawaii, la chiusura causa vento per quasi due giorni del Sub-Millimeter Telescope (in Arizona), il nuovo ricevitore commissionato dal Large Millimeter Telescope (in Messico) non disponibile da subito per le osservazioni, lo strumento Atacama Pathfinder EXperiment disponibile in certe notti a causa di lavori tecnici… E tra gli altri un episodio singolare, accaduto in Messico, dove un commando ha assaltato la jeep degli astronomi causando la chiusura dell’osservatorio negli ultimi cinque giorni. Dunque, tutti i nostri sforzi si sono concentrati principalmente sui dati del 2017, che sono di qualità eccellente».

Ciriaco Goddi presso la control room di Alma.

Quante persone sono state coinvolte per realizzare le osservazioni?

«Ci sono almeno tre o quattro persone dell’Event Horizon Telescope Consortium che si recano in ogni sito a condurre le osservazioni. Questo vuol dire una trentina di persone, se consideriamo gli otto osservatori che hanno partecipato all’esperimento. Inoltre, poiché ogni sito costituisce un osservatorio indipendente, con personale tecnico e scientifico specializzato, di solito ci sono altri due o tre astronomi e un operatore tecnico che lavorano di base in ognuno degli osservatori. A queste si aggiunge un gruppo di circa cinque persone che costituiscono il “centro operativo”, che ha sede all’università di Harvard. Quindi in totale parliamo di circa 60 persone. Per quanto riguarda ALlma, solo due membri fanno parte del progetto Eht: un astronomo del Mit-Haystack Observatory, responsabile dello sviluppo e mantenimento del software, e io che sono responsabile della calibrazione e validazione dei dati acquisiti. Entrambi presidiamo alle osservazioni, trascorrendo fino a tre settimane nel deserto dell’Atacama, assieme a decine di altre persone, tra cui astronomi di supporto, operatori tecnici e ingegneri, perciò non ci sentiamo soli».

Le vostre attese hanno avuto un riscontro positivo?

«Direi di sì. Siamo ora nella fase finale di produzione ed elaborazione dei dati, per cui non mi posso sbilanciare molto in questo momento. Posso però dire che i risultati preliminari appariranno a breve su riviste specializzate e, chissà, anche la tanto attesa “foto del secolo” potrebbe essere pubblicata molto presto. Al momento vi posso solo assicurare che non mancheranno le sorprese e i risultati non deluderanno le attese».

Ciriaco Goddi e sullo sfondo il complesso sistema di antenne di Alma.

Che ruolo ha giocato il radiotelescopio Alma?

«L’Atacama Large Millimeter Array (Alma) è un elemento fondamentale per questo progetto scientifico. Situato nel deserto di Atacama – nelle Ande Cilene, il più alto e secco al mondo, a 5100 metri sul livello del mare – è il radiotelescopio più sensibile mai costruito in banda millimetrica, con ben 54 antenne di 12 metri di diametro (e altre 12 antenne più piccole di 7 metri di diametro). Durante le osservazioni con l’Eht, buona parte delle sue antenne di 12 metri di diametro (di solito una quarantina) vengono combinate creando virtualmente un unico elemento equivalente a un gigantesco radiotelescopio di circa 70 metri di diametro. Questa “trasformazione” (da interferometro a singolo elemento), di cui sono responsabile, richiede un lavoro certosino di calibrazione dei segnali delle singole antenne che permette di avere, alla fine di questo processo, un salto di qualità nelle prestazioni dell’Eht, sia in termini di risoluzione che di sensibilità. In altre parole, Alma agisce come uno strumento di riferimento nel momento in cui dobbiamo analizzare il segnale che proviene dalle altre antenne più piccole e meno sensibili, permettendo così di ridurre il rumore di fondo almeno di un ordine di grandezza. Inoltre, la sua posizione nell’emisfero australe consente di osservare sorgenti importanti, come appunto il nostro centro galattico, Sagittarius A* (Sgr A*), che pensiamo ospiti un buco nero supermassivo di circa 4 milioni di masse solari».

Come si osserva “simultaneamente” Sgr A* – o le altre sorgenti – con i radiotelescopi coinvolti nell’esperimento?

«Gli obiettivi dell’Eht sono sostanzialmente due: il buco nero supermassivo che risiede nel nucleo della nostra galassia (Sgr A*), a circa 26mila anni luce, e M87 il buco nero supermassivo di una galassia ellittica gigante situata a circa 50 milioni di anni luce. Anche se M87 è circa duemila volte più lontana, il buco nero è circa duemila volte più massivo, per cui le dimensioni angolari sottese da entrambi i buchi neri (circa 50 microsecondi d’arco) risultano simili. Per osservare oggetti che sottendono dimensioni angolari così piccole utilizziamo l’interferometria radio a lunghissima linea di base (Vlbi). Si tratta di una tecnica molto potente che permette di realizzare immagini di radiosorgenti ad altissima risoluzione. Il Vlbi sfrutta una rete globale di radiotelescopi, in genere da 12 a 30 metri di diametro, situati nei diversi continenti in modo da formare virtualmente un enorme telescopio delle dimensioni della Terra. Ovviamente, più antenne sono coinvolte e maggiore risulta la qualità dell’immagine finale. Ora, se da un lato non possiamo costruire migliaia di antenne, essendo molto costose, dall’altro la rotazione terrestre ci viene fortunatamente in aiuto, perché cambia la posizione dei singoli telescopi – e perciò delle linee di base – come “visti” dalla sorgente. Questo processo consente effettivamente di campionare meglio la struttura attraverso orientazioni diverse, anche con pochi ma ben localizzati radiotelescopi. In questo caso, la risoluzione dell’immagine aumenta con la distanza tra i radiotelescopi, che chiamiamo linea di base, un po’ simile a quella di una normale antenna il cui potere risolutivo aumenta con il diametro della parabola. I segnali radio che arrivano sulle singole antenne vengono prima registrati dai ricevitori per poi essere digitalizzati e copiati su dischi rigidi. I supporti vengono spediti a un centro di elaborazione dati (non via internet, perché stiamo parlando di petabytes, ma tramite aereo che risulta il mezzo più veloce). Per il nostro progetto abbiamo utilizzato due super-computer, detti correlatori: uno si trova all’Haystack Observatory del Mit, nel Massachusetts, e l’altro è situato presso il Max Planck Institut fur Radioastronomie, a Bonn. Il correlatore combina i segnali tra coppie di antenne creando post-factol’interferenza delle onde radio rilevate dai singoli radiotelescopi. I segnali devono essere sincronizzati con altissima precisione, il che significa che dobbiamo utilizzare orologi atomici estremamente accurati per misurare i loro tempi di arrivo sulle singole antenne. Una volta che i segnali di tutte le coppie di antenne vengono combinati, possiamo ricostruire l’immagine della sorgente radio. Dunque, operando insieme, le antenne simuleranno un singolo, gigantesco, telescopio delle dimensioni della Terra che ci permetterà di “intravedere” l’orizzonte degli eventi – quel confine che circonda i buchi neri dove tutto ciò che passa non torna mai più indietro – e rivelare la cosiddetta “ombra” del buco nero, che nelle sorgenti in questione ci aspettiamo sottenda una dimensione di 50 microsecondi d’arco (un po’ come distinguere una pallina da tennis sulla Luna)».

A quali frequenze radio sono state condotte le osservazioni?

«L’Eht osserva a lunghezza d’onda radio intorno a 1.3 mm, che corrisponde ad una frequenza di circa 230 GHz. Prima di Eht, la tecnica Vlbi è stata applicata a frequenze radio relativamente basse (1-90 GHz). Nonostante le cose si complichino verso le più alte frequenze, tuttavia ci sono diverse ragioni per spingere il Vlbi oltre i 100 GHz. Primo: il potere risolutivo aumenta con la frequenza e per ottenere la risoluzione desiderata, cioè 50 microsecondi d’arco con un telescopio delle dimensioni corrispondenti al diametro della Terra, si deve andare necessariamente sopra i 100 GHz. Secondo: a frequenze al di sotto di 100-200 GHz, l’ombra del buco nero rimane ancora nascosta dietro al plasma, che circonda il buco nero stesso, oscurandone la vista. Alle alte frequenze a cui opera Eht, come ad esempio 230 GHz, il plasma diventa trasparente ed emette radiazione nelle immediate vicinanze dell’orizzonte degli eventi. Quindi, osservando ad alte frequenze è come se si aprisse una sorta di “velo” che ci lascia intravedere cosa si cela dietro».

Quante ore sono state impiegate per realizzare le osservazioni?

«Come in tutti gli osservatori astronomici, anche per l’Eht il tempo viene assegnato da una commissione di esperti, il Time Allocation Committee (Tac), che dopo aver selezionato diverse proposte osservative valuta il merito scientifico dei singoli progetti. Nella pratica le proposte osservative di Eht sono approvate sostanzialmente dal Tac di Alma, poiché si tratta di gran lunga del radiotelescopio più richiesto del network. Finora, nell’ambito di Eht sono state utilizzate quasi tutte le ore concesse (circa 60 ore sia per il run del 2017 che del 2018) – fatto non scontato, in quanto possono sorgere problemi tecnici o condizioni meteo avverse non prevedibili. Per quanto riguarda il limite massimo di ore a disposizione, con l’Eht ogni singolo radiotelescopio normalmente osserva la sorgente per tutto il tempo possibile, cioè dal sorgere fino al tramonto: quindi avere più ore per sorgente, e per notte, servirebbe a poco. Una cosa molto utile sarebbe, invece, osservare la stessa sorgente a epoche diverse durante l’anno, in modo da evidenziare l’eventuale variabilità dell’emissione radio o l’apparire di nuove componenti. Ciò fornirebbe informazioni importanti sullo stato fisico del plasma che circonda il buco nero (pensate a un blob di gas che orbita intorno al buco nero prima di venire ingoiato). Al momento, però, non è possibile osservare in diversi periodi dell’anno, per un fatto puramente logistico: organizzare campagne osservative globali e coordinare insieme una decina di telescopi è una sfida non da poco. Per cui concentriamo le osservazioni in una finestra di circa dieci giorni all’anno. Ad ogni modo, da quello che impareremo dai dati raccolti finora decideremo se sarà necessario, o meno, cambiare la nostra strategia osservativa».

Ciriaco Goddi durante la fase di controllo dei segnali registrati dalle antenne di Alma.

Quanti dati avete raccolto e quanto tempo ci è voluto per analizzarli?

«Nel 2017 abbiamo raccolto qualcosa come quattro petabytes di dati, ossia 4000 terabytes! Nel 2018 abbiamo registrato una banda doppia, quindi il doppio dei dati (almeno in termini di bytes). L’ordine di grandezza è di un petabyte per telescopio, quindi il volume totale di dati ammonta a circa 10 petabytes. Abbiamo impiegato un anno e mezzo a ridurre, calibrare, validare e analizzare i dati acquisiti nel 2017 e, ovviamente, convertirli in immagini radio delle sorgenti. Devo ammettere che inizialmente eravamo troppo ottimisti, nel senso che avevamo preventivato di produrre i primi risultati entro un anno dalle osservazioni. In realtà, ci sono due ragioni fondamentali che giustificano questo “ritardo”. La prima è che abbiamo avuto bisogno di più tempo per creare tutto il software di analisi necessario, essendo la prima volta che vengono acquisiti dati di questo genere. La seconda ragione è più sottile, ma non meno importante: paradossalmente, capire in maniera estremamente dettagliata e accurata i dati dell’Eht è stato molto difficile proprio per la loro elevata qualità, che ci ha permesso di evidenziare caratteristiche ed errori sistematici che non si sono mai visti prima, essendo “sepolti” nel rumore. Per fortuna il gigante Alma ha giocato un ruolo fondamentale nel processo di elaborazione dei dati, che d’ora in poi – cioè per la seconda serie di dati che analizzeremo – dovrebbe rivelare meno sorprese e procedere più speditamente».

Quali controlli avete introdotto, e quali modalità avete seguito per l’elaborazione dei dati, al fine di evitare eventuali contaminazioni?

«Dato che il nostro obiettivo è quello di “vedere” la famosa ombra del buco nero, che sottende piccolissime dimensioni angolari, e rivelare minime strutture nell’immagine che siano riconducibili a eventuali deviazioni dalle predizioni della teoria di Einstein, abbiamo sempre verificato qualsiasi anomalia durante tutte le fasi di calibrazione e analisi dei dati e, soprattutto, abbiamo eseguito delle analisi indipendenti e una serie di controlli incrociati. Per essere più precisi, al fine di testare la validità dei dati sono stati utilizzati metodi di confronto incrociato seguendo tre passaggi fondamentali. Primo, la correlazione dei dati: i due super-computer (quello del Mit nel Massachusetts e quello del Max Planck Institut a Bonn) hanno correlato indipendentemente i segnali fra coppie di antenne, fornendo prestazioni identiche e rivelando lo stesso segnale. Secondo, la calibrazione dei dati: i dati provenienti dai due correlatori sono stati ulteriormente elaborati con tre software indipendenti, fornendo dei risultati compatibili entro gli errori. Terzo, nel processo di conversione da dati interferometrici a immagini radio abbiamo usato due metodologie distinte: una si basa su metodi tradizionali, che fanno uso di software classici, e un’altra è più innovativa, concepita nel caso specifico di un insieme di antenne che hanno partecipato al progetto Eht. Anche in questo caso le immagini che abbiamo ottenuto dalle analisi parallele sono compatibili entro gli errori. Devo dire che in quasi vent’anni che mi occupo di Vlbi non ho mai visto analizzare un insieme di dati radio con tanta scrupolosità e controlli incrociati. Qualche collega può contraddirmi, se vuole, ma mi sento di affermare che questo è l’insieme di dati radio più esaminato della storia del Vlbi».

Dato che nessuno hai mai visto un buco nero, come facciamo a capire che avremo finalmente “visto” qualcosa?

«Questa non è per niente una domanda scontata. Il nostro obiettivo principale, come astronomi osservativi, è fare delle misure e analizzare i dati nella maniera più accurata, oggettiva e riproducibile possibile. Dopodiché, i nostri risultati vengono esaminati dal gruppo di teorici che passano al setaccio tutti i modelli possibili (inclusi i modelli alternativi ai buchi neri). Da un confronto certosino di questi modelli con i dati, potremo finalmente dare la risposta tanto attesa se si tratta effettivamente di un buco nero, così come previsto dalla relatività generale, oppure no. Vi lascio, per ora, con la suspense. Infatti, uno degli obiettivi a lungo termine del nostro progetto è quello di testare l’ormai centenaria teoria di Einstein, che – nonostante descriva generalmente bene l’universo osservato fino ad oggi – potrebbe presentare alcune deviazioni proprio in prossimità di un buco nero a causa dell’estrema gravità. Quindi, la teoria di Einstein potrebbe non essere la teoria finale dell’universo, che forse dovremo ancora scoprire. Ecco perché c’è un grande interesse nell’osservare queste regioni estreme dello spazio. Insomma, questa famigerata “foto del secolo” rappresenterà un altro passo in avanti nel nostro modo di comprendere i grandi misteri dell’universo e un bellissimo esempio di collaborazione internazionale nell’ambito dello sviluppo tecnologico e del progresso scientifico».


Sorprendente Sistema Solare
KBO e pianeti nani alla riscossa!

Coelum Astronomia di Marzo 2019 
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Fonte: Media INAF