Una ciambella di luce asimmetrica

La prima fotografia in onde radio di un buco nero⁽¹⁾ ha ormai fatto il giro del mondo. Tutti ne parlano, tutti ne scrivono, incluso il sottoscritto con un lungo articolo al Caffé del Cappellaio Matto.

Tra gli aspetti più curiosi che non ho avuto modo di approfondire più di tanto c'è quello relativo all'asimmetria dell'anello di luce intorno al buco nero. Prima di proseguire, però, permettetemi di spiegare perché mi riferisco alla luce relativamente a un segnale non visibile. In questo caso utilizzo luce come sinonimo di onda elettromagnetica, visto che i due fenomeni sono fondamentalmente inscindibili. Ovviamente, a causa della frequenza, è luce non visibile, ma sempre di luce si parla. Detto ciò, vediamo cosa si trova scritto nel quinto articolo⁽²⁾ della serie di 6 relativamente a questa asimmetria:

L'anello è più brillante a sud rispetto a nord. Questo può essere spiegato dalla combinazione del moto della sorgente e dell'effetto Doppler. (...) Se l'emissione è prodotta da un anello in rotazione con un momento angolare orientato lungo l'asse del jet, allora il plasma a sud è in avvicinamento rispetto alla Terra e il plasma a nord è in allontamanto. Ciò implica una circolazione oraria del plasma nella sorgente, come proiettato sul piano del cielo.

Ci sono in quanto scritto sopra un paio di concetti da chiarire. Iniziamo con l'effetto Doppler: questi afferma che la frequenza delle onde si modifica in funzione della velocità relativa tra la sorgente che emette le onde e chi le riceve. Per capire il funzionamento dell'effetto Doppler immaginiamo di essere al mare. Dalla spiaggia vediamo le onde che arrivano sul suo bordo ad esempio ogni 5 secondi. A questo punto se ci mettiamo a nuotare verso il mare aperto le onde ci colpiranno in faccia con un periodo inferiore ai 5 secondi, questo perché stiamo andando incontro alla sorgente delle onde, mentre quando torniamo verso la spiaggia le onde colpiranno la nostra nuca con un periodo superiore ai 5 secondi, perché in questo caso ci allontaniamo dalla sorgente. Questo vuol dire che la frequenza dell'onda, essendo il reciproco del tempo, quando ci avviciniamo alla sua sorgente aumenta, mentre quando ci allontaniamo diminuisce. D'altra parte la lunghezza d'onda, ovvero la distanza tra due creste o due valli dell'onda, essendo proporzionale al periodo dell'onda, diminuisce quando ci avviciniamo alla sorgente e aumenta quando ci allontaniamo. Quindi la parte del segnale radio che si avvicina alla Terra ha una frequenza maggiore e una lunghezza d'onda minore rispetto alla parte del segnale che si allontana.
Questa situazione risulta compatibile con un buco nero ruotante, che era finora la spiegazione più plausibile per i getti (o jet) di materia emessi dal centro della galassia M87. In pratica il buco nero centrale si comporta come un gigantesco acceleratore di particelle di molte volte più potente del nostro LHC.

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1. The Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters, Volume 875, Number 1. doi:10.3847/2041-8213/ab0ec7 ↩
2. The Event Horizon Telescope Collaboration et al. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring. The Astrophysical Journal Letters, Volume 875, Number 1. doi:10.3847/2041-8213/ab0f43 ↩