The Event Horizon Telescope (EHT) collaboration, who produced the first ever image of a black hole, has today revealed a new view of the massive object at the centre of the Messier 87 (M87) galaxy: how it looks in polarised light. This is the first time astronomers have been able to measure polarisation, a signature of magnetic fields, this close to the edge of a black hole. The observations are key to explaining how the M87 galaxy, located 55 million light-years away, is able to launch energetic jets from its core.

We are now seeing the next crucial piece of evidence to understand how magnetic fields behave around black holes, and how activity in this very compact region of space can drive powerful jets that extend far beyond the galaxy,” says Monika Mościbrodzka, Coordinator of the EHT Polarimetry Working Group and Assistant Professor at Radboud University in the Netherlands.

On 10 April 2019, scientists released the first ever image of a black hole, revealing a bright ring-like structure with a dark central region — the black hole’s shadow. Since then, the EHT collaboration has delved deeper into the data on the supermassive object at the heart of the M87 galaxy collected in 2017. They have discovered that a significant fraction of the light around the M87 black hole is polarised.

This work is a major milestone: the polarisation of light carries information that allows us to better understand the physics behind the image we saw in April 2019, which was not possible before,” explains Iván Martí-Vidal, also Coordinator of the EHT Polarimetry Working Group and GenT Distinguished Researcher at the University of Valencia, Spain. He adds that “unveiling this new polarised-light image required years of work due to the complex techniques involved in obtaining and analysing the data.

Light becomes polarised when it goes through certain filters, like the lenses of polarised sunglasses, or when it is emitted in hot regions of space where magnetic fields are present. In the same way that polarised sunglasses help us see better by reducing reflections and glare from bright surfaces, astronomers can sharpen their view of the region around the black hole by looking at how the light originating from it is polarised. Specifically, polarisation allows astronomers to map the magnetic field lines present at the inner edge of the black hole. 

The newly published polarised images are key to understanding how the magnetic field allows the black hole to ‘eat’ matter and launch powerful jets,” says EHT collaboration member Andrew Chael, a NASA Hubble Fellow at the Princeton Center for Theoretical Science and the Princeton Gravity Initiative in the US.

The bright jets of energy and matter that emerge from M87’s core and extend at least 5000 light-years from its centre are one of the galaxy’s most mysterious and energetic features. Most matter lying close to the edge of a black hole falls in. However, some of the surrounding particles escape moments before capture and are blown far out into space in the form of jets. 

Astronomers have relied on different models of how matter behaves near the black hole to better understand this process. But they still don’t know exactly how jets larger than the galaxy are launched from its central region, which is comparable in size to the Solar System, nor how exactly matter falls into the black hole. With the new EHT image of the black hole and its shadow in polarised light, astronomers managed for the first time to look into the region just outside the black hole where this interplay between matter flowing in and being ejected out is happening. 

The observations provide new information about the structure of the magnetic fields just outside the black hole. The team found that only theoretical models featuring strongly magnetised gas can explain what they are seeing at the event horizon. 

The observations suggest that the magnetic fields at the black hole’s edge are strong enough to push back on the hot gas and help it resist gravity’s pull. Only the gas that slips through the field can spiral inwards to the event horizon,” explains Jason Dexter, Assistant Professor at the University of Colorado Boulder, US, and Coordinator of the EHT Theory Working Group. 

To observe the heart of the M87 galaxy, the collaboration linked eight telescopes around the world — including the northern Chile-based Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) and the Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), in which the European Southern Observatory (ESO) is a partner — to create a virtual Earth-sized telescope, the EHT. The impressive resolution obtained with the EHT is equivalent to that needed to measure the length of a credit card on the surface of the Moon.

With ALMA and APEX, which through their southern location enhance the image quality by adding geographical spread to the EHT network, European scientists were able to play a central role in the research,” says Ciska Kemper, European ALMA Programme Scientist at ESO. “With its 66 antennas, ALMA dominates the overall signal collection in polarised light, while APEX has been essential for the calibration of the image.”

“ALMA data were also crucial to calibrate, image and interpret the EHT observations, providing tight constraints on the theoretical models that explain how matter behaves near the black hole event horizon,” adds Ciriaco Goddi, a scientist at Radboud University and Leiden Observatory, the Netherlands, who led an accompanying study that relied only on ALMA observations.

The EHT setup allowed the team to directly observe the black hole shadow and the ring of light around it, with the new polarised-light image clearly showing that the ring is magnetised. The results are published today in two separate papers in The Astrophysical Journal Letters by the EHT collaboration. The research involved over 300 researchers from multiple organisations and universities worldwide. 

The EHT is making rapid advancements, with technological upgrades being done to the network and new observatories being added. We expect future EHT observations to reveal more accurately the magnetic field structure around the black hole and to tell us more about the physics of the hot gas in this region,” concludes EHT collaboration member Jongho Park, an East Asian Core Observatories Association Fellow at the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics in Taipei. 

More information

This research was presented in two papers by the EHT collaboration published today in The Astrophysical Journal Letters:

“First M87 Event Horizon Telescope Results VII: Polarization of the Ring” (doi: 10.3847/2041-8213/abe71d

“First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon” (doi: 10.3847/2041-8213/abe4de).

Accompanying research is presented in the paper

“Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA” (doi: 10.3847/2041-8213/abee6a) by Goddi, Martí-Vidal, Messias, and the EHT collaboration, which has been accepted for publication in The Astrophysical Journal Letters.

The EHT collaboration involves more than 300 researchers from Africa, Asia, Europe, North and South America. The international collaboration is working to capture the most detailed black hole images ever obtained by creating a virtual Earth-sized telescope. Supported by considerable international investment, the EHT links existing telescopes using novel systems — creating a fundamentally new instrument with the highest angular resolving power that has yet been achieved.

The individual telescopes involved are: ALMA, APEX, the Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM) 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory, the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), the Large Millimeter Telescope (LMT), the Submillimeter Array (SMA), the Submillimeter Telescope (SMT), the South Pole Telescope (SPT), the Kitt Peak Telescope, and the Greenland Telescope (GLT).

The EHT consortium consists of 13 stakeholder institutes: the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, the University of Arizona, the University of Chicago, the East Asian Observatory, Goethe-Universitaet Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max Planck Institute for Radio Astronomy, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud University and the Smithsonian Astrophysical Observatory.  

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of ESO, the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the Ministry of Science and Technology (MOST) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA. 

The BlackHoleCam research group was awarded the European Research Council €14 million Synergy Grant in 2013. The Principal Investigators are Heino Falcke, Luciano Rezzolla and Michael Kramer and the partner institutes are JIVE, IRAM, MPE Garching, IRA/INAF Bologna, SKA and ESO. BlackHoleCam is part of the Event Horizon Telescope collaboration.

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Originally published by ESO March 24, 2021

In April 2019, the Event Horizon Telescope (EHT) collaboration revealed the first image of the candidate supermassive black hole (SMBH) at the center of the giant elliptical galaxy Messier 87 (M87). This event horizon-scale image shows a ring of glowing plasma with a dark patch at the center, which is interpreted as the shadow of the black hole. This breakthrough result, which represents a powerful confirmation of Einstein’s theory of gravity, or general relativity (GR), was made possible by assembling a global network of radio telescopes operating at mm-wavelengths that for the first time included the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). The addition of ALMA as an anchor station has enabled a giant leap forward by increasing the sensitivity limits of the EHT by an order of magnitude, effectively turning it into an imaging array. The published image demonstrates that it is now possible to directly study the event horizon shadows of SMBHs via electromagnetic radiation, thereby transforming this elusive frontier from a mathematical concept into an astrophysical entity. Expansion of the array in the next few years, including new stations on different continents and eventually satellites in space, will provide progressively sharper and higher-fidelity images of SMBH candidates, and potentially even movies of the hot plasma orbiting around SMBHs. These improvements will shed light on processes of black hole accretion and jet formation on event horizon scales, thereby enabling more precise tests of GR in the truly strong-field regime.

The centre of the giant elliptical galaxy M87 seen at spatial resolution scales spanning six orders of magnitude. The detailed structure of the relativistic jet is revealed by observations at different radio wavelengths using several interferometric facilities, zooming into the supermassive black hole imaged by the EHT collaboration.

Full article published in C. Goddi et al. 2019, The Messenger, 177, 25

La foto del secolo è stata finalmente mostrata dal team dell’Event Horizon Telescope. Ciò che è stato osservato ha dell’incredibile: una struttura ad anello consistente con le predizioni della relatività generale. Cosa implicano questi risultati? Abbiamo davvero aperto una nuova finestra nella ricerca di frontiera? Per saperne di più, a un mese dallo storico annuncio Media Inaf ha raggiunto due protagonisti dell’impresa, Heino Falcke e Ciriaco Goddi

Mercoledì 10 aprile 2019 è stata una giornata storica per l’astronomia. Il team dell’Event Horizon Telescope (Eht), un insieme di otto radiotelescopi sparsi sul globo, ha mostrato al mondo la prima immagine di un buco nero supermassivo nel nucleo della galassia ellittica gigante Messier 87 (M87). La “foto del secolo” è stata il frutto di quattro giorni di intense osservazioni e di decine di mesi trascorsi a calibrare e analizzare quattro petabyte di dati. Ciò che è stato osservato è incredibile: una struttura asimmetrica ad anello consistente con l’emissione attesa dall’orizzonte degli eventi in cui si osserva la cosiddetta “ombra del buco nero”, un oggetto di oltre 6 miliardi di masse solari confinate in un’area di cielo equivalente a circa tre volte le dimensioni del Sistema solare. Ma che cosa ha osservato in definitiva Eht? Cosa implicano questi risultati per la teoria della relatività generale? Abbiamo davvero aperto una nuova era dell’astrofisica dei buchi neri? A un mese esatto dallo storico annuncio, Media Inaf lo ha chiesto a Heino Falcke e a Ciriaco Goddi, rispettivamente presidente e segretario del Consiglio scientifico dell’Eht.

Nella teoria della relatività generale, il buco nero rappresenta una soluzione permessa alle equazioni di Einstein che nel caso più semplice è definito da una regione sferica gravitante in cui la massa è concentrata in un singolo punto che gli astronomi chiamano “singolarità”. La curvatura dello spaziotempo è descritta dal raggio di Schwarzschild, da cui nemmeno la luce può sfuggire. Questa regione viene chiamata orizzonte degli eventi.

I buchi neri si presentano con una varietà di masse. Da un lato esistono oggetti di massa stellare, il risultato del collasso gravitazionale di stelle massive, e dall’altro i buchi neri supermassivi, che possono raggiungere decine di miliardi di masse solari e che si ritiene alimentino i nuclei nella maggior parte delle galassie attive e i getti relativistici che si estendono nello spazio per decine di migliaia di anni-luce. Nonostante un buco nero sia “nero” per definizione, la materia che lo circonda accelera e si riscalda mentre si accresce e questo calore si trasforma in radiazione che rende incredibilmente luminosi i nuclei delle galassie.

Perché M87?

Esistono pochissimi candidati ottimali per realizzare l’immagine dell’ombra di un buco nero. I buchi neri di massa stellare – soltanto nella nostra galassia ce ne sono alcuni milioni – sottendono delle dimensioni angolari molto piccole, così come la maggior parte dei buchi neri supermassivi.

Ciriaco Goddi

«Il primo target naturale è ovviamente il centro della nostra galassia, a 26mila anni-luce da noi», spiega Goddi, «che pensiamo ospiti un buco nero di circa quattro milioni di masse solari (Sagittarius A*, o in breve Sgr A*), abbastanza vicino per Eht. Questo lo rende un milione di volte più massiccio – come ordine di grandezza, e quindi anche fisicamente più grande – di un buco nero stellare e migliaia di volte più vicino rispetto ad altre galassie. Secondo i nostri calcoli, la dimensione angolare dell’ombra risulta di circa 50 microsecondi d’arco: un po’ come osservare dalla Terra una pallina da tennis sulla superficie della Luna».

Analogamente, il buco nero in M87, la cui massa viene stimata essere almeno alcuni miliardi di volte la massa del Sole, è abbastanza grande da permettere ancora a Eht di osservare la sua ombra, nonostante si trovi a circa 55 milioni di anni luce.

«Abbiamo fatto dei conti molto semplici», continua Goddi. «Sappiamo che le dimensioni spaziali (il raggio) di un buco nero crescono linearmente con la massa. Invece, la dimensione angolare sottesa, cioè come noi lo vediamo dalla Terra, decresce linearmente con la distanza. Quindi ci serviva un oggetto estremamente massiccio e il più vicino possibile. Anche se Sgr A* è il target più vicino, sin da subito abbiamo individuato in M87 il candidato ideale. Perciò, nonostante il buco nero al centro di M87 sia circa 2000 volte più distante, è fortunatamente 1500 volte più massiccio, e quindi le dimensioni angolari del buco nero risultano leggermente più piccole di quelle di SgrA* ma sono ancora confrontabili».

La foto del secolo

La figura illustra le immagini di confidenza ottenute in quattro giorni di osservazione per ciascuno dei tre algoritmi utilizzati dalle squadre. I tre metodi forniscono sempre una struttura ad anello dove si intravedono delle zone di variabilità più luminose nella parte più bassa. Crediti: The Event Horizon Telescope

I media hanno parlato di “foto”, ma quella mostrata dagli astronomi non è una vera e propria foto nel senso comune a cui siamo abituati. «Si tratta di un’immagine astronomica, reale a tutti gli effetti», fa notare Goddi. «Non è un falso o una simulazione. Se poi si tratti di una foto o meno è solo una questione di nomenclatura. In altre parole, se per foto si intende quella che si scatta con una macchina fotografica, o comunque con un dispositivo dotato di sensore che raccoglie luce visibile ai nostri occhi, allora non si tratta di foto, non nel senso stretto del termine».

In realtà, la foto è una mappa dell’emissione di onde radio emesse dal plasma incandescente che orbita attorno al buco nero prima di precipitare dentro l’orizzonte degli eventi. «Gli otto radiotelescopi che formano Eht raccolgono onde radio, non visibili all’occhio umano», spiega Goddi. «Dunque, se i nostri occhi fossero sensibili alle onde radio (cioè se funzionassero come antenne) e potessimo avvicinarci al buco nero di M87, sintonizzandoci sulla frequenza di 230 GHz (quella usata da Eht), allora vedremmo più o meno l’immagine che abbiamo mostrato. L’emissione radio di M87* è stata elaborata in falsi colori. In particolare, abbiamo scelto i toni dal rosso al giallo per rappresentare il plasma ad alta temperatura, ma avremmo potuto usare altre tonalità. Questa operazione corrisponde alla trasposizione visiva di informazioni invisibili (appunto le onde radio), perciò abbiamo usato il termine ‘foto’ con il grande pubblico, anche se di solito nelle nostre relazioni scientifiche scriviamo immagine».

Produrre l’immagine finale non è stato così semplice. Infatti, il team Eht ha dovuto mettere insieme i pezzi di un puzzle, affrontare il problema della validazione dei dati e analizzare migliaia di modelli. «Abbiamo cercato di comporre una sorta di mosaico colmando i pezzi mancanti per arrivare all’immagine finale», ricorda Goddi. «Gran parte del lavoro è stato dedicato ad assicurarci che l’immagine ottenuta fosse reale e non fosse, invece, guidata dalle nostre aspettative. Quattro squadre hanno lavorato in modo indipendente e senza interagire, per minimizzare qualsiasi possibilità di introdurre elementi di soggettività nell’elaborazione dei dati. Alla fine abbiamo confrontato i risultati e abbiamo appurato che tutte le squadre avevano ottenuto un’immagine con una caratteristica simile: un anello di diametro di circa 40 microsecondi d’arco con una distribuzione di brillanza asimmetrica (più brillante verso il basso). Non solo, ma abbiamo elaborato indipendentemente i dati relativi a quattro giorni diversi, ottenendo risultati confrontabili».

L’anello di luce

La struttura ad anello è dovuta alla presenza di plasma che si accresce lentamente attorno al buco nero supermassivo in M87 che, a sua volta, alimenta un getto relativistico estremamente brillante e collimato. In prossimità dell’orizzonte degli eventi, la materia emette radiazione luminosa che viene distorta dal campo gravitazionale del buco nero.

Nella foto, a destra, Heino Falcke durante la conferenza stampa tenutasi a Brussels il 10 aprile 2019 e sullo sfondo l’immagine di M87*. Crediti: The Event Horizon Telescope

«L’anello è prodotto dalla luce che si muove in circolo attorno al buco nero», spiega Falcke. «Questa è una proprietà della forte curvatura dello spaziotempo attorno al buco nero. La regione più scura all’interno dell’anello è dovuta al fatto che la luce scompare al di là dell’orizzonte degli eventi».

In altre parole, ciò che stiamo osservando è la luce che subisce un effetto di lente gravitazionale verso di noi e, dato che il materiale in caduta verso il buco nero si sta muovendo a velocità prossime a quelle della luce, la radiazione viene amplificata. «L’anello risulta più brillante nella parte inferiore poiché la materia sta ruotando in senso orario, e verso di noi, con velocità relativistiche e ciò amplifica la sua luminosità. Almeno questo è quanto ci aspettiamo dalla relatività generale che spiega molto bene le nostre osservazioni», dice Falcke.

Dunque, il risultato è una struttura asimmetrica a forma di anello che circonda una regione centrale scura, per l’appunto la “ombra”, che si estende diverse volte il raggio dell’orizzonte degli eventi. L’ombra diventa così una sorta di “pistola fumante” che fornisce quell’indizio della presenza di un buco nero di grossa taglia.

La determinazione della massa

La massa di M87* è stata argomento di controversie, dato che alcune precedenti misure hanno fornito valori tra circa 3 e 6 miliardi di masse solari ottenuti, rispettivamente, da osservazioni del moto del gas e delle stelle. «In realtà, entrambi i metodi forniscono dei valori che differiscono sistematicamente di un fattore due», dice Falcke. «Il nostro valore è stato ottenuto direttamente su scale prossime all’orizzonte degli eventi ed è consistente con le osservazioni del moto delle stelle. Temo che i nostri risultati portino a una revisione della scala di massa e all’esigenza di avere misure più precise anche per altre galassie».

Testare la relatività generale

L’immagine mostra l’emissione associata alla materia in prossimità dell’orizzonte degli eventi di un buco nero di Kerr la cui massa è di circa 6,5 miliardi di masse solari. Crediti: The Event Horizon Telescope

L’immagine mostra l’emissione associata alla materia in prossimità dell’orizzonte degli eventi di un buco nero di Kerr la cui massa è di circa 6,5 miliardi di masse solari. Crediti: The Event Horizon Telescope

I buchi neri rappresentano certamente un ambiente estremo, dove la relatività generale può venire meno, perciò le osservazioni di Eht su scale del microsecondo d’arco costituiscono un test fondamentale per vagliare la teoria di Einstein. «Tutto ciò che osserviamo è in accordo con le predizioni di Einstein», sottolinea Falcke. «Tuttavia, c’è ancora un’incertezza sistematica nella scala di massa in M87. Il test potrà essere effettuato molto meglio in futuro con le osservazioni del nostro centro galattico».

Dunque, a quanto pare, gli scienziati non hanno trovato particolari deviazioni dalla relatività generale che potrebbero essere spiegate da altri modelli della gravità. «Naturalmente, non possiamo escludere tutte le alternative ai buchi neri con una sola osservazione», fa notare Falcke. «Se abbiamo un modello che sembra quasi quello di un buco nero, allora questo modello potrebbe essere ancora consistente con i nostri dati. Se riusciremo a produrre immagini ancora più nitide e ad alta risoluzione angolare, allora potremmo forse vedere eventuali deviazioni dalla teoria di Einstein. Certo, sarebbe fantastico ma non ci scommetterei la mia vita».

Ottenere un’immagine radio così complessa non è semplice e i primi risultati ottenuti da Eht lo dimostrano. «Il vantaggio di risolvere l’ombra è dovuto al fatto che la sua forma e dimensione dipendono fortemente dalla massa e molto meno dallo spin del buco nero», spiega Falcke. «In qualche modo, ci aspettiamo sempre di vedere l’ombra, anche se essa non ci fornisce facilmente l’informazione sulla rotazione del buco nero. Perciò, al momento non siamo sicuri di quanto velocemente ruoti M87* e spero che in futuro osservazioni più precise ce lo diranno».

Ad ogni modo, applicando alle immagini un modello semplice della struttura ad anello si ottiene un valore della dimensione dell’ombra intorno a 40 microsecondi d’arco, consistente con quella prodotta da un buco nero di Kerr (cioè in rotazione) di quasi 6,5 miliardi di masse solari.

Il getto relativistico

Uno dei problemi relativi all’astrofisica dei buchi neri riguarda la formazione dei getti relativistici che si estendono nello spazio per migliaia di anni-luce, co

Uno dei problemi relativi all’astrofisica dei buchi neri riguarda la formazione dei getti relativistici che si estendono nello spazio per migliaia di anni-luce, così come si osserva nel caso del getto luminoso di M87. «I getti hanno origine da regioni molto prossime all’orizzonte degli eventi e si formano grazie alla rotazione dei campi magnetici e a volte anche a seguito dell’estrazione di energia dovuta alla rotazione del buco nero», dice Falcke. «Quale dei due processi sia dominante dipende dalle proprietà del buco nero, cioè dal suo spin e dal tasso di accrescimento che non sono noti con precisione».

Il team Eht ha impiegato circa due anni per produrre l’immagine del buco nero supermassivo in M87. La gravità è così estrema che i fotoni ruotano in circolo formando un anello luminoso. L’effetto di lente gravitazionale amplifica la dimensione dell’orizzonte degli eventi producendo un’ombra scura più grande che può essere parzialmente riempita dalla materia che cade verso il buco nero. Crediti: C. Bickel/Science (grafica); The Event Horizon Telescope (immagine)

Gli scienziati hanno di fatto confrontato l’immagine ottenuta da Eht con osservazioni precedenti e con i modelli del getto relativistico di M87. «Da qualche anno siamo in grado di simulare i getti relativistici che assomigliano molto a quelli che osserviamo realmente», dice Falcke. «Il fatto che ora i nostri modelli siano in accordo con le osservazioni su scale che vanno dall’orizzonte degli eventi fino a migliaia di volte il raggio di Schwarzschild dimostra che siamo sulla buona strada. È un po’ come se avessimo in mano gli strumenti giusti per comprendere la loro formazione».

Il team Eht ha poi esaminato alcuni modelli alternativi al buco nero di Kerr per spiegare la struttura osservata. Ad esempio, particolari oggetti esotici potrebbero produrre analogamente la stessa immagine (non polarizzata) ma nuovi vincoli deriveranno certamente dai dati polarimetrici. «Abbiamo misurato la polarizzazione della luce ma non l’abbiamo ancora analizzata», ricorda Falcke. «Da questi dati ci aspettiamo preziose informazioni sull’orientamento e la struttura dei campi magnetici in quella regione dove si originano i getti relativistici».

Gli astronomi sono convinti che l’analisi polarimetrica dei dati prodotti da Eht li aiuterà a porre ulteriori vincoli per spiegare meglio l’immagine radio. L’aggiunta di altre antenne sarà decisamente importante per incrementare la percentuale di fiducia nella realizzazione dell’immagine, permettendo così di collegare in linea teorica le strutture rivelate su scale dell’ombra con quelle del getto relativistico.

«In futuro, vorremmo aggiungere nuovi telescopi al network», dice Goddi. «In particolare, nel 2020 avremo un nuovo radiotelescopio in Arizona (Kitt Peak) e uno in Francia (Northern Extended Millimeter Array, Noema). Dopo il 2020, l’obiettivo sarà avere un telescopio in Argentina (Large Latin American Millimeter Array, Llama) e uno in Africa (Africa Millimetre Telescope, Amt). Avere un telescopio in Africa sarebbe molto importante, in quanto potrebbe fornire una buona reciproca visibilità con l’Europa, Pico Veleta e Noema (che al momento hanno poca reciproca visibilità con i telescopi delle Americhe). Il progetto Eht prevede, inoltre, di avere un telescopio in Namibia, alla stessa latitudine di Alma. Non solo: per raggiungere una migliore risoluzione angolare vogliamo utilizzare frequenze più alte di 230 GHz, quando il plasma diventa ancora più trasparente, per definire ancora meglio l’ombra».

Ma il vero salto di qualità sarà andare nello spazio, anche perché le dimensioni della Terra sono finite. «Il nostro grande obiettivo è usare la tecnica Vlbi con i satelliti in orbita che ci permetteranno di non essere più vincolati alle dimensioni del nostro pianeta, raggiungendo così risoluzioni angolari più elevate», aggiunge Goddi. «Questo implica avvicinarci ancora di più all’orizzonte degli eventi e aumentare il contrasto dell’immagine di M87* e, possibilmente, quelle dei buchi neri in altre galassie. Insomma, vogliamo migliorare le nostre misure e testare ancora più precisamente la relatività generale».

Che fine ha fatto Sgr A*?

Nello spazio, l’utilizzo di 2 o 3 satelliti, un progetto noto come Event Horizon Imager (Ehi), potrà raggiungere una risoluzione angolare cinque volte migliore rispetto a quella dell’Eht a terra e le immagini potranno essere ricostruite con maggiore confidenza. In alto, da sinistra, è illustrato il modello di Sgr A* alla frequenza di 230 GHz e, a destra, la simulazione di una immagine prodotta con questo modello da Eht. In basso, da sinistra, il modello di Sgr A* a una frequenza di 690 GHz e, a destra, la simulazione di una immagine prodotta con questo modello da Ehi. Crediti: F. Roelofs/Radboud University

Eht è stato concepito per osservare anche Sgr A*, il secondo obiettivo dell’esperimento. Ma allora come mai il team non ha mostrato alcuna immagine del buco nero supermassivo al centro della Via Lattea? «Sapevamo da sempre che Sgr A* è più complicato da osservare, ma almeno conosciamo la sua massa», dice Falcke. «Se M87* fosse stato più piccolo di un fattore due, non saremmo stati in grado di vedere la sua ombra. Perciò è stata una scommessa e devo dire che siamo stati fortunati. Sgr A* è 1500 volte più leggero di M87*, perciò 1500 volte più piccolo, ma è anche 2000 volte più vicino. Questo vuol dire che la struttura ad anello risulta più grande. In questo caso, il plasma si muove 1500 volte più velocemente attorno a Sgr A*. Se per M87* il gas impiega un paio di settimane per compiere un’orbita attorno a M87*, nel caso di Sgr A* occorreranno circa 20 minuti. Perciò, abbiamo bisogno di integrare un paio d’ore per realizzare un’immagine».

«Mentre M87* si comporta come una sorta di grande orso seduto in letargo, Sgr A* appare come un bambino piccolo, iperattivo che si muove e si agita sulla propria sedia mentre tentiamo di scattargli una foto a lunga esposizione», continua Falcke. «In più, la radiazione di Sgr A* deve attraversare la Via Lattea mentre viene diffusa dal mezzo intergalattico, a tratti ionizzato, che introduce un ulteriore sfocatura nell’immagine. Questi effetti devono poi essere eliminati e le simulazioni ci indicano che per far questo occorre mediare diverse osservazioni nel corso di più anni».

Insomma, sembra che dovremmo ancora attendere per vedere la prima immagine del buco nero della nostra galassia e gli scienziati non si vogliono sbilanciare. «Forse, realizzeremo quanto prima un’immagine accettabile di Sgr A*. Per ora, pensiamo di aver raccolto già tanta informazione con i nostri dati preliminari, ma dobbiamo ancora lavorarci e non abbiamo nemmeno iniziato a farlo sul serio. In tal senso, non mi sento di dare una data precisa finché non avremo effettuato uno studio approfondito e analizzato le eventuali difficoltà. L’immagine di M87* è risultata migliore di quanto ci aspettavamo. Sgr A* è il contrario. Chi lo sa.»

Un risultato storico

L’immagine di M87* rappresenta senza alcun dubbio un risultato storico. «Vedere la prima immagine di un buco nero è stato come trovarsi per la prima volta faccia a faccia con un vecchio amore», dice Falcke. «Qualcuno che sapevi esistesse, di cui avevi sentito parlare, a cui hai scritto delle lettere, di cui immaginavi il suo aspetto ma che non avevi mai incontrato personalmente. Ora la vedi per la prima volta e sai che è reale. Da quel momento, inizia una nuova fase della relazione. La stessa cosa sta accadendo qui».

Heino Falcke

«C’è stata un’epoca prima che fossimo in grado di vedere un buco nero e ora siamo entrati nella fase successiva», aggiunge Falcke. «Oggi i buchi neri fanno parte della nostra realtà. Li possiamo vedere e studiare e possiamo testare le nostre teorie. È un sogno che diventa realtà. Uno degli oggetti più esotici e bizzarri che si può immaginare sulla base della fisica che conosciamo, ora lo possiamo ammirare».

La realizzazione della prima immagine di un buco nero è anche una storia, per certi versi romantica, che ha visto uno dei suoi principali protagonisti perseverare nella ricerca della verità affinché il proprio sogno si realizzasse. «Venticinque anni fa, quando ho scelto di fare astrofisica, ho capito che ‘vedere’ i buchi neri non era forse del tutto pura fantasia e ho dedicato la mia carriera per fare in modo che questo mio desiderio si realizzasse. Alla fine, trovarsi di fronte per la prima volta all’immagine dell’ombra di un buco nero e far parte di un grande team che ha reso possibile tutto questo, per me è un privilegio e un’esperienza travolgente».

«Non solo, ma sono stato colpito dalla reazione a livello mondiale», sottolinea Falcke. «Sapevo quanto era importante, per me personalmente, ma non avrei mai pensato di quanto fosse altrettanto importante per gli altri. Tanta gente, di diversa cultura, mi ha detto di essere rimasta meravigliata e persino toccata da questa immagine che, secondo gli esperti, ha raggiunto circa 4,5 miliardi di persone in tutto il mondo. Con le dovute proporzioni, è stato un po’ come l’allunaggio, un grande momento di scienza che abbiamo tutti condiviso».

«Se c’è voluto il mondo per scattare questa foto, noi l’abbiamo condivisa con il mondo e il mondo l’ha abbracciata in una maniera tale che non mi sarei mai aspettato», ricorda Falcke. «È qualcosa di clamoroso che va al di là della scienza, forse perché i buchi neri rappresentano davvero la fine dello spazio e del tempo e pongono un limite fondamentale alla nostra abilità di conoscere ed esplorare. Ora possiamo vedere quell’ultima frontiera, possiamo guardare il mostro dritto negli occhi».

Insomma, Einstein ha superato l’ennesimo test e questa spettacolare immagine di un mostro celeste – che può contenere qualcosa come 6,5 miliardi di soli e che si cela nel cuore di una galassia ellittica gigante a 55 milioni di anni-luce – ha davvero aperto senza alcun dubbio una nuova era nel campo dell’astrofisica dei buchi neri. «Quando si studia la gravità e lo spaziotempo, credo che ci troviamo veramente di fronte a una nuova era dell’astrofisica moderna», dice Falcke. «Eht, Ska, Ligo e Virgo ci permetteranno di studiare sempre più in dettaglio le regioni più estreme della gravità, dagli oggetti stellari fino ai buchi neri supermassivi. A questo si aggiunge anche l’astronomia a raggi-X. Non abbiamo un solo strumento, ma ne abbiamo tanti e tra loro indipendenti che ci permettono di studiare i buchi neri in un modo senza precedenti. Ciò darà alla comunità scientifica una spinta completamente nuova e di sicuro susciterà tanta ricerca teorica. Lo studio della relatività generale è ancora giovane ed entusiasmante. La comparsa sulla scena di un nuovo Einstein è solo questione di tempo, se ci sarà qualcosa di nuovo da scoprire. Ed io lo spero tanto!»

Questa non è certamente la fine della storia ma rappresenta chiaramente solo l’inizio e il team Eht continuerà le proprie ricerche. Per quanto riguarda M87*, le osservazioni future permetteranno di caratterizzare la stabilità e la forma geometrica dell’ombra del buco nero in modo più accurato. «In particolare, ci aspettiamo che la sua dimensione rimanga costante nel tempo, in quanto la massa di M87* non dovrebbe variare su tempi scala umani», conclude Goddi. «Ad ogni modo, uno dei passi successivi del progetto Eht sarà quello di passare da un’immagine statica a un filmato».

Originally published by Media Inaf – May 10, 2019

For the first time, astronomers have managed to take a photo of a supermassive black hole and its shadow. They used the Event Horizon Telescope (EHT), a worldwide network of eight radio telescopes, that together form a virtual telescope the size of the earth. The news was presented in six press conferences around the world simultaneously.

Radboud University is represented in the management of the EHT. Astronomers from Nijmegen, the University of Amsterdam, Leiden University, and JIVE are involved in the project, as well as the NOVA-technical submm-group of the University of Groningen.

The results will be published in six scientific articles in a special edition of Astrophysical Journal Letters. The photo shows the black hole at the centre of Messier 87, a massive galaxy in the nearby Virgo galaxy cluster. This black hole is 55 million light-years from earth and is 6.5 billion times the mass of the Sun.

Interlinking the eight telescopes has resulted in unprecedented sensitivity and resolution. Time after time, independent observations with the EHT, using different imaging techniques, have revealed a circular-type structure, with a dark area in the middle, a shadow of the black hole in M87.

“Scientists from all over the world have worked together”, says Prof. Anton Zensus of MPIfR in Bonn, chair of the EHT management. The director of the EHT Project, Sheperd S. Doeleman of the American Harvard/Smithsonian Center for Astrophysics, speaks of “a milestone in astronomy, achieved with a team of over 200 researchers from 18 countries”.

Simulation of the Messier 87 black hole, made by Radboud astrophysicist Jordy Davelaar

In the beginning

Heino Falcke, Professor of Astroparticle Physics and Radio Astronomy at Radboud University, is the chair of the EHT Science Council and was there when the idea to photograph a black hole using a network of telescopes was first proposed. “If the black hole exists in a bright area, such as a disc of glowing gas, we expect that it will create a very dark area, comparable to a shadow. We have also compared the photo with supercomputer simulations of different black-hole models. These simulations match up surprisingly well with the observations and make it possible to determine the characteristics of the black hole.”

The shadow is created by deflection of the light caused by the curvature of space and by the absorption of light in the so-called event horizon of the black hole. The horizon is the edge of the area from which nothing, not even light, can escape from the black hole. Falcke: “Shape and size of the shadow perfectly match our expectations based on Einstein’s general theory of relativity and the existence of an event horizon.”

Exotic objects

Black holes are exotic cosmic objects which have enormous mass, but are small in size. A black hole exerts extreme influence on its environment. It curves spacetime and heats surrounding matter to super-high temperatures. “The size of the shadow is related to the mass of a black hole and we managed to actually measure the enormous mass of the black hole in M87”, says Sera Markoff, Professor of Astrophysics in Amsterdam, who is a member of the EHT Science Council and coordinator of the Multiwavelength Working Group.

“We know that black holes exert an enormous influence over their surroundings, at scales hundreds of millions times bigger than those of its event horizon. Using the EHT, we have been able to observe the origin of this process for the first time”, adds Markoff.

New instrument

With the EHT, scientists have a new instrument to study the most extreme objects in the universe, which were predicted by Einstein. The result comes exactly 100 years after the experiment that first proved Einstein’s theory.

Project manager of the EHT Project Remo Tilanus (Leiden University and Radboud University) is delighted: “This fantastic result follows years of hard work by teams all over the world to technically realise the EHT and have it ready for the observations by 2017. This has been a golden year: not only did everything work smoothly, but the weather was perfect everywhere too.”

Team work

At Radboud University itself, a team of 10 researchers and students, co-managed by astrophysicists Monika Moscibrodzka and Ciriaco Goddi, have worked hard over the past two years to achieve this result. They took part in the observations with the different telescopes and made a crucial contribution to the data analysis and the development of the theoretical models.

Important contributions were provided by the University of Amsterdam in the area of modelling and interpretation, by the Allegro group of the Leiden Observatory in relation to the calibration of the observations, by JIVE in the field of data-analysis software, and by the NOVA submm group of the University of Groningen in relation to specialised equipment.

The next step

Falcke is looking forward to achieving clearer imaging after upgrades in the network. “It is the beginning of a new era in which the ultimate limit of space and time is no longer an abstract concept, but a measurable reality. To increase the sensitivity, we want to expand the EHT network and build a millimetre telescope in Africa. We are fortunate to already have the first supports in place, from different parties and even businesses.”

More information

Heino Falcke received the Spinoza prize from the Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO) in 2012 and a large grant from the European Research Council in 2013, which facilitated the research of the BlackHoleCam group. This Synergy Grant of €14 million was awarded to Falcke and co-principle investigators Luciano Rezzolla (Goethe Universiteit Frankfurt) and Michael Kramer (Max-Planck Instituut Bonn). Partner institutes are JIVE, IRAM, MPE Garching, IRA/INAF Bologna, SKA and ESO. The BlackHoleCam team is part of the EHT.

All astronomers from the Netherlands who are involved with the Event Horizon Telescope are listed here.

Originally published in the Radboud University News page of the Astronomy Department– Apr 10, 2019