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3 Domande enormi l’immagine del buco nero non ha risposto

Una rete internazionale di radiotelescopi ha prodotto la prima immagine ravvicinata dell’ombra di un buco nero, che gli scienziati hanno rivelato questa mattina (10 aprile). La collaborazione, chiamata Event Horizon Telescope, ha confermato decenni di previsioni su come la luce si sarebbe comportata intorno a questi oggetti oscuri e ha posto le basi per una nuova era di astronomia del buco nero.

“Da una scala da zero a sorprendente, è stato incredibile”, ha detto Erin Bonning, astrofisica e ricercatrice di buchi neri alla Emory University che non è stata coinvolta nello sforzo di imaging.

“Detto questo, era quello che mi aspettavo”, ha detto a Live Science.

L’annuncio, preso in giro per circa una settimana e mezza di anticipo, è riuscito ad essere sia incredibilmente eccitante e quasi del tutto privo di dettagli sorprendenti o nuova fisica. La fisica non si è rotta. Non sono state rivelate caratteristiche inaspettate dei buchi neri. L’immagine stessa era quasi perfetta per le illustrazioni di buchi neri che siamo abituati a vedere nella scienza e nella cultura pop. La grande differenza è che è molto più sfocato.

C’erano diverse questioni importanti relative ai buchi neri che sono rimaste irrisolte, tuttavia, ha detto Bonning.

In che modo i buchi neri producono i loro enormi getti di materia calda e veloce?

Tutti i buchi neri supermassicci hanno la capacità di masticare la materia vicina, assorbirne la maggior parte oltre i loro orizzonti degli eventi e sputare il resto nello spazio alla velocità della luce vicina in torri ardenti che gli astrofisici chiamano “getti relativistici.”

E il buco nero al centro della Vergine A (chiamato anche Messier 87) è noto per i suoi impressionanti getti, che sputano materia e radiazioni in tutto lo spazio. I suoi getti relativistici sono così enormi che possono sfuggire completamente alla galassia circostante.

Un’immagine di Hubble del 1998 mostra il jet relatavistico che sfugge alla Vergine A. (Immagine di credito: J. A. Biretta et al., Hubble Heritage Team (STScI /AURA), NASA)

E i fisici conoscono le grandi linee di come questo accade: il materiale accelera a velocità estreme mentre cade nella gravità del buco nero, quindi parte di esso sfugge pur mantenendo quell’inerzia. Ma gli scienziati non sono d’accordo sui dettagli di come questo accade. Questa immagine e i documenti associati non offrono ancora alcun dettaglio.

Capirlo, ha detto Bonning, sarà una questione di collegare le osservazioni del Telescopio Event Horizons — che coprono una quantità abbastanza piccola di spazio — con le immagini molto più grandi dei getti relativistici.

Mentre i fisici non hanno ancora risposte, ha detto, c’è una buona probabilità che arriveranno presto — soprattutto una volta che la collaborazione produce immagini del secondo obiettivo: il buco nero supermassiccio Sagittarius A*, al centro della nostra galassia, che non produce getti come Virgo A. Confrontando le due immagini, ha detto, potrebbe offrire un po ‘ di chiarezza.

Come si integrano la relatività generale e la meccanica quantistica?

Ogni volta che i fisici si riuniscono per parlare di una nuova scoperta davvero eccitante, ci si può aspettare di sentire qualcuno suggerire che potrebbe aiutare a spiegare “gravità quantistica.”

Questo perché la gravità quantistica è la grande sconosciuta in fisica. Per circa un secolo, i fisici hanno lavorato usando due diversi set di regole: la relatività generale, che copre cose molto grandi come la gravità, e la meccanica quantistica, che copre cose molto piccole. Il problema è che queste due regole si contraddicono direttamente l’un l’altro. La meccanica quantistica non può spiegare la gravità e la relatività non può spiegare il comportamento quantistico.

Un giorno, i fisici sperano di collegare i due insieme in una grande teoria unificata, probabilmente coinvolgendo una sorta di gravità quantistica.

E prima dell’annuncio di oggi, c’era la speculazione che potrebbe includere qualche passo avanti sull’argomento. (Se le previsioni della relatività generale non fossero state confermate nell’immagine, ciò avrebbe spostato la palla in avanti. Durante una conferenza stampa della National Science Foundation, Avery Broderick, fisico dell’Università di Waterloo in Canada e collaboratore del progetto, ha suggerito che questo tipo di risposte potrebbero arrivare.

Ma Bonning era scettico su tale affermazione. Questa immagine non era del tutto sorprendente dal punto di vista della relatività generale, quindi non offriva alcuna nuova fisica che potesse colmare il divario tra i due campi, ha detto Bonning.

Tuttavia, non è folle che le persone sperino risposte da questo tipo di osservazione, ha detto, perché il bordo dell’ombra di un buco nero porta forze relativistiche in spazi minuscoli di dimensioni quantistiche.

“Ci aspetteremmo di vedere la gravità quantistica molto, molto vicino all’orizzonte degli eventi o molto, molto presto nell’universo primordiale”, ha detto.

Ma alla risoluzione ancora sfocata del telescopio Event Horizons, ha detto, non è probabile che troveremo questo tipo di effetti, anche con gli aggiornamenti pianificati in arrivo.

Le teorie di Stephen Hawking erano corrette quanto quelle di Einstein?

Il più grande contributo del fisico Stephen Hawking alla fisica è stata l’idea di “radiazione di Hawking”-che i buchi neri non sono in realtà neri, ma emettono piccole quantità di radiazioni nel tempo. Il risultato è stato estremamente importante, perché ha dimostrato che una volta che un buco nero smette di crescere, inizierà a ridursi molto lentamente dalla perdita di energia.

Ma il Telescopio Event Horizons non ha confermato o negato questa teoria, ha detto Bonning, non che qualcuno se lo aspettasse.

Buchi neri giganti come quello in Virgo A, ha detto, emettono solo quantità minime di radiazioni Hawking rispetto alle loro dimensioni complessive. Mentre i nostri strumenti più avanzati possono ora rilevare le luci brillanti dei loro orizzonti di eventi, ci sono poche possibilità che possano mai stuzzicare il bagliore ultra-fioco della superficie di un buco nero supermassiccio.

Quei risultati, ha detto, probabilmente verranno dai più piccoli buchi neri — oggetti teorici di breve durata così piccoli che potresti racchiudere il loro intero orizzonte degli eventi nella tua mano. Con l’opportunità di osservazioni ravvicinate e molte più radiazioni disponibili rispetto alle loro dimensioni complessive, gli esseri umani potrebbero alla fine capire come produrne o trovarne una e rilevarne la radiazione.

Quindi cosa abbiamo effettivamente imparato da questa immagine?

In primo luogo, i fisici hanno imparato che Einstein aveva ragione, ancora una volta. Il bordo dell’ombra, per quanto il telescopio Event Horizons può vedere, è un cerchio perfetto, proprio come i fisici del 20 ° secolo che lavorano con le equazioni della relatività generale di Einstein prevedevano.

“Non penso che nessuno dovrebbe essere sorpreso quando passa un altro test della relatività generale”, ha detto Bonning. “Se fossero saliti sul palco e avessero detto che la relatività generale si era rotta, sarei caduto dalla sedia.”

Il risultato con implicazioni più immediate e pratiche, ha detto, è stato che l’immagine ha permesso agli scienziati di misurare con precisione la massa di questo buco nero supermassiccio, che si trova a 55 milioni di anni luce di distanza nel cuore della galassia Virgo A. È 6,5 miliardi di volte più massiccia del nostro sole.

Questo è un grosso problema, ha detto Bonning, perché potrebbe cambiare il modo in cui i fisici pesano i buchi neri supermassicci nel cuore di altre galassie più lontane o più piccole.

In questo momento, i fisici hanno una misurazione abbastanza precisa della massa del buco nero supermassiccio nel cuore della Via Lattea, ha detto Bonning, perché possono guardare come la sua gravità muove le singole stelle nel suo vicinato.

Ma in altre galassie, i nostri telescopi non possono vedere i movimenti delle singole stelle, ha detto. Quindi i fisici sono bloccati con misurazioni più ruvide: Come la massa del buco nero influenza la luce proveniente da diversi strati di stelle nella galassia, o come la sua massa influenza la luce proveniente da diversi strati di gas fluttuante nella galassia.

Ma quei calcoli sono imperfetti, ha detto.

“Devi modellare un sistema molto complesso”, ha detto.

E i due metodi finiscono per produrre risultati leggermente diversi in ogni galassia che i fisici osservano. Ma almeno per il buco nero in Virgo A, ora sappiamo che un metodo è corretto.

” La nostra determinazione di 6.5 miliardi di masse solari finiscono per atterrare proprio in cima alla determinazione di massa più pesante da”, ha detto Sera Markoff, astrofisico dell’Università di Amsterdam e collaboratore del progetto nel briefing di notizie.

Ciò non significa che i fisici passeranno all’ingrosso a quell’approccio per misurare le masse dei buchi neri, ha detto Bonning. Ma offre un punto dati importante per affinare i calcoli futuri.

  • I più grandi misteri irrisolti della fisica
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Originariamente pubblicate su Live Science.

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