Il campo magnetico potrebbe spingere un enorme getto di materia ed energia fuori dal buco nero.

Le prime immagini del campo magnetico intorno a un buco nero possono spiegare come il buco nero spara un getto di energia e materia a più di 5.000 anni luce nello spazio. 

Le nuove immagini provengono dal primo buco nero mai fotografato, che si trova al centro di Messier 87, una galassia ellittica gigante a 55 milioni di anni luce di distanza. Nel 2017, una collaborazione internazionale di oltre 300 ricercatori ha coordinato 11 radiotelescopi di tutto il mondo per osservare il centro di M87. Il telescopio congiunto risultante è stato soprannominato Event Horizon Telescope (EHT). Il risultato, rilasciato nel 2019, era un'immagine di un buco nero circondato da una ciambella di materia incandescente.

Ora, una nuova analisi dei dati rivela che la luce in quella ciambella incandescente è parzialmente polarizzata, il che significa che le onde luminose vibrano in un unico piano. Questa è una firma di luce che è passato attraverso lo spazio caldo e magnetizzato, e la sua presenza significa che i ricercatori possono iniziare a mappare il campo magnetico sul bordo del buco nero. 

In due nuovi articoli pubblicati oggi (24 marzo) su The Astrophysical Journal, gli scienziati trovano che il campo magnetico può essere abbastanza forte da spingere fuori la materia che altrimenti cadrebbe irrimediabilmente oltre l'orizzonte degli eventi del buco nero. Il risultato: Un flusso di materia ed energia che esce dal buco nero e dalla galassia circostante come un riflettore.

"Molte persone hanno lavorato a lungo su come i campi magnetici lasciano cadere il gas nei buchi neri, come lanciano i getti, e ora siamo davvero pronti per iniziare a testare queste teorie direttamente con le immagini polarizzate dei buchi neri", ha detto Jason Dexter, un astrofisico dell'Università del Colorado, Boulder, e coordinatore del gruppo di lavoro sulla teoria EHT.

Luce polarizzata 

Per creare le nuove mappe del campo magnetico i ricercatori hanno dovuto estrarre la polarizzazione da un set di dati molto rumoroso. La luce polarizzata è solo una parte della luce complessiva che circonda il buco nero, che è creata dalla materia che viaggia molto velocemente e si sfrega insieme, generando energia e un bagliore. Per di più, il team di ricerca ha dovuto separare il segnale di quel campo magnetico dall'errore introdotto dall'atmosfera terrestre su 11 telescopi diversi, e dalla strumentazione interna di quei telescopi.

"Scavare quei segnali relativamente più deboli e contabilizzare l'errore più grande è stato uno sforzo immenso", ha detto Dexter.

Inizialmente, sembrava che solo dall'1% al 3% della luce intorno al buco nero fosse polarizzata. Ma quando i ricercatori hanno ingrandito la frazione polarizzata, si sono resi conto che tra il 10% e il 20% dell'anello luminoso era polarizzato. Quando si fa la media di tutti i dati la luce polarizzata che viaggia in una direzione "annullava" la luce polarizzata che viaggiava nella direzione opposta, quindi la percentuale di luce polarizzata sembrava artificialmente bassa. 

Il magnetismo deriva dal gas caldo che circonda il buco nero. Mentre le particelle di gas cariche ruotano, rafforzano il campo magnetico. Ma i ricercatori hanno scoperto che non tutto il campo magnetico ruota semplicemente con il gas a spirale.

"Non vediamo la stessa mappa di polarizzazione e l'immagine che ci aspetteremmo se i campi magnetici fossero semplicemente avvolti intorno al buco nero per essere trascinati insieme al gas", ha detto Dexter. "[Il campo] è forte perché può resistere ad essere trascinato insieme al gas mentre ruota intorno al buco nero".

Fuga da un buco nero

Gli astrofisici hanno a lungo sospettato che i campi magnetici circostanti giocano un ruolo sia nell'aiutare i buchi neri a crescere sia nel cacciare fuori materia ed energia in enormi getti. Gli astrofisici sono stati in grado di misurare i campi magnetici all'interno dei getti, ma questa è la prima volta che sono stati in grado di scrutare direttamente il campo alla base dei getti. 

Una vista del getto dal centro di M87 in luce polarizzata (in alto), che copre una distanza di 1.300 anni luce; una vista ingrandita dal telescopio VLBA che copre 0,25 anni luce (al centro); il bagliore polarizzato intorno al buco nero, osservato dal telescopio Event Horizon (in basso), che copre 0,0063 anni luce.  (Image credit: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal)

"La cosa chiave qui è cercare di capire come il campo è strutturato una volta che si avvicina al buco nero", ha detto Dexter. 

Dexter e i suoi colleghi hanno cercato di abbinare diversi tipi di campi ai dati EHT utilizzando modelli informatici. I campi che corrispondevano ai dati di M87 tendevano a produrre forti getti.

"C'è molto che non sappiamo, e dovremmo essere cauti, ma è un segnale interessante che forse i campi magnetici giocano un ruolo attivo nella crescita dei buchi neri e nel lancio dei getti".

Le future osservazioni del buco nero nel cuore di M87 aiuteranno a risolvere questo mistero, poiché qualsiasi fluttuazione nel tempo permetterà ai ricercatori di costruire mappe più dettagliate dei campi magnetici. Più osservazioni li aiuteranno anche a pulire le distorsioni dai dati, fornendo un quadro più chiaro. Non c'è anche nessuna ragione per cui l'EHT non potrebbe essere addestrato sul buco nero al centro della nostra galassia, la Via Lattea, ha detto Dexter. 

"È un risultato molto eccitante, imparare di più su questa immagine del buco nero e le proprietà fisiche dietro l'immagine del buco nero in M87". "È solo l'inizio".