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Singolarità e orizzonte degli eventi potrebbero essere un ‘mito’

Si sono dette e sentite tante cose sui buchi neri, gli oggetti più densi che conosciamo nell’Universo, forse i più bizzarri in assoluto. Di recente abbiamo pubblicato un paio di post sulla polemica scatenata da Stephen Hawking in merito alla sua dichiarazione secondo la quale “i buchi neri non esisterebbero” (post1; post2), forse mal interpretata e che ha a che fare con il paradosso della (perdita di) informazione. Oggi, però, va all’attacco, si fa per dire, anche Laura Mersini-Houghton, una professoressa di fisica alla University of North Carolina a Chapel Hill, la quale ha dimostrato matematicamente che i buchi neri potrebbero di fatto non originarsi mai. Questo lavoro non solo forza gli scienziati ad introdurre nuovi concetti di spazio e tempo ma induce a ripensare anche a quei processi fisici che hanno dato origine all’Universo.

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Il buco nero ‘iniziale’ che diede origine all’Universo

Il nostro Universo sarebbe emerso da un buco nero in uno spazio multidimensionale. E’ quanto sostiene un gruppo di tre ricercatori del Perimeter Institute il cui studio si è guadagnato la copertina del numero di Agosto di Scientific American.

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ALMA, verso l’esplorazione del buco nero della Via Lattea

The strong curvature of spacetime near a black hole produces a dark shadow surrounded by a bright photon ring. The shape of this shadow is roughly circular. Detecting the shadow of a black hole and establishing that it is indeed circular would constitute an observational test of general relativity. Credit: EHT

Grazie ad una serie di interventi effettuati al centro di calcolo dell’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) è stato possibile installare un orologio atomico ad elevata precisione che avrà lo scopo di migliorare le prestazioni del correlatore. Questo strumento permetterà ad ALMA di sincronizzarsi con una rete di altri radiotelescopi sparsi sul globo, nota anche come Event Horizon Telescope (EHT), per osservare ‘più da vicino’ il buco nero supermassiccio della nostra Galassia.

ALMA: ALMA Upgrade to Probe Supermassive Black Hole

Wormholes anzichè buchi neri nei nuclei galattici?

The center of our Galaxy, as seen in the radio. Credit: Farhad Zadeh, VLA, NRAO, APOD
E’ quanto sostengono due astrofisici, Zilong Li e Cosimo Bambi della Fudan University di Shanghai, in un articolo che hanno pubblicato di recente. Essi propongono una idea affascinante in base alla quale i buchi neri che riesiedono nei nuclei di quasi tutte le galassie attive potrebbero essere in realtà dei “portali”, meglio noti come “wormholes” o ponti di Einstein-Rosen, che puntano verso altre regioni del nostro Universo o di altri universi paralleli. Inoltre, essi spiegano come una tale idea potrà dimostrarsi vera o falsa grazie ad un nuovo strumento che sarà a breve installato presso un osservatorio dell’ESO in Cile.

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Un modello cosmologico alternativo all’inflazione

Black HoleIl nostro Universo potrebbe esistere all’interno di un buco nero. Nonostante questa ipotesi possa sembrare alquanto strana, non lo è, invece, per il fisico teorico Nikodem Poplawski. La sua idea potrebbe rappresentare il quadro migliore per spiegare l’origine dell’Universo e tutta la realtà fisica che ci circonda.

Il modello cosmologico standard, che descrive l’evoluzione del nostro Universo, lascia alcune domande aperte dato che implicano l’origine dello spazio e del tempo da una singolarità iniziale, cioè una regione infinitamente piccola che contiene una concentrazione infinitamente grande di materia, che poi si è espansa nello spazio, in seguito all’inflazione, fino a raggiungere le dimensioni che osserviamo oggi. Il modello inflazionistico, che suggerisce un periodo di rapida espansione esponenziale, soddisfa alcuni dettagli importanti, come ad esempio l’aggregazione e la concentrazione della materia primordiale da cui si sono formate successivamente le strutture quali galassie e ammassi di galassie. Nonostante ciò, gli scienziati devono ancora rispondere ad alcune domande: Che cosa ha dato il via al Big Bang? Che cosa ha fatto terminare il periodo dell’inflazione? Qual è la sorgente della misteriosa energia scura che sembra causare una accelerazione all’espansione dello spazio? L’idea che il nostro Universo possa essere interamente ‘contenuto’ in un buco nero fornisce le risposte a queste domande e a molte altre. Intanto viene eliminata la nozione di singolarità e l’idea Poplawski si basa sulle due teorie fondamentali che abbiamo al momento a disposizione: la relatività generale e la meccanica quantistica. La relatività generale è la teoria più moderna della gravità che viene descritta come la curvatura dello spaziotempo prodotta da un corpo celeste di grande massa. In essa tutti gli oggetti si muovono seguendo traiettorie ellittiche (come le orbite dei pianeti, delle comete o degli asteroidi) e la stessa radiazione ne viene influenzata attraverso la deflessione dei raggi luminosi (lente gravitazionale). La relatività generale descrive l’Universo su larga scala e qualsiasi evento viene descritto come un punto nello spaziotempo. La meccanica quantistica descrive, invece, il mondo degli atomi e delle particelle. Le due teorie sono, al momento, come due famiglie separate che vivono nella stessa casa e non si parlano. Infatti, uno degli obiettivi principali dei teorici è proprio quello di  trovare un punto d’incontro in modo tale da unificare le due teorie in una unica descrizione (gravità quantistica) per spiegare in maniera adeguata tutta una serie di fenomeni, inclusi il comportamento delle particelle elementari in prossimità dei buchi neri (vedasi Idee sull’Universo). Negli anni ’60, alcuni teorici introdussero una serie di modifiche alla relatività generale tenendo conto degli effetti descritti dalla meccanica quantistica: questa formulazione matematica è stata chiamata la teoria della gravità Einstein-Cartan-Sciama-Kibble. Questo modello non solo fornisce un passo importante verso una teoria quantistica della gravità ma porta ad un quadro alternativo del nostro Universo. Le modifiche introdotte nella teoria di Einstein incorporano una importante proprietà quantistica chiamata spin. Le particelle come gli elettroni hanno uno spin proprio, cioè un momento angolare intrinseco analogo a quello di un pattinatore sul ghiaccio. Ora, lo spin delle particelle interagisce con lo spaziotempo e ne determina una proprietà chiamata torsione. A sua volta, la torsione dello spaziotempo può determinare effetti significativi solo durante le epoche primordiali dell’Universo o nei buchi neri. In queste condizioni estreme, la torsione dello spaziotempo si può manifestare come una forza di natura repulsiva che si oppone alla forza gravitazionale attrattiva dovuta alla curvatura dello spaziotempo. Come descritto nella versione originale della relatività generale, stelle di grande massa possono collassare in un buco nero che dà luogo ad una regione dello spazio dove nulla, nemmeno la luce, è in grado di sfuggire alla sua intensa attrazione gravitazionale. Ecco allora come l’effetto della torsione potrebbe agire durante le fasi primordiali della storia dell’Universo all’interno di un buco nero. Inizialmente, l’attrazione gravitazionale tra le particelle supera le forze repulsive dovute alla torsione, determinando il collasso gravitazionale della materia in una piccolissima regione di spazio. Tuttavia, alla fine del processo, l’effetto della torsione diventa maggiore e fa sì che la materia non diventi estremamente compressa in un punto di densità infinita. Nonostante ciò, la materia può essere ancora compressa in uno stato a densità elevata. Inoltre, l’immensa energia gravitazionale concentrata in questo stato fisico determina la produzione di particelle dato che, secondo l’equazione di Einstein E=mc2, l’energia può essere convertita in materia. Una delle conseguenze di questo processo è l’incremento della massa del buco nero. Il numero via via crescente di particelle dotate di spin risulta nella formazione di livelli di torsione dello spaziotempo sempre più elevati. La torsione repulsiva ferma il collasso gravitazionale e crea un big bounce, cioè un rimbalzo come quello che avviene in un pallone compresso. Il rapido rinculo, che segue dopo il rimbalzo, è ciò che determina l’espansione dello spazio. Il risultato di questo rinculo è in accordo con le osservazioni della forma, della geometria e della distribuzione di materia nell’Universo. In più, il meccanismo della torsione suggerisce uno scenario interessante: ogni buco nero produce un nuovo universo. Se ciò è vero, allora la materia primordiale del nostro Universo deve essere arrivata da qualche altra parte. Dunque, il nostro Universo potrebbe essere la parte interna di un buco nero che esiste in un altro universo. Per cui così come noi non siamo in grado di vedere ciò che avviene all’interno di un buco nero, allo stesso modo qualsiasi osservatore che si trova nell’altro universo non sarà in grado di vedere cosa succede nel nostro. Il moto della materia lungo l’orizzonte degli eventi avviene solo in una direzione e ciò dà al tempo una direzione privilegiata che noi percepiamo come un movimento in avanti, cioè dal passato al futuro. In questo modo, la freccia del tempo del nostro Universo viene, per così dire, ereditata attraverso la torsione dall’altro universo ‘madre’ da cui discende. La torsione può inoltre spiegare l’asimmetria barionica tra materia e antimateria nel nostro Universo che rappresenta ancora uno dei grandi misteri della cosmologia (vedasi Enigmi Astrofisici). A causa della torsione, la materia si trasforma nelle particelle a noi familiari, quali elettroni e quark, mentre l’antimateria si trasforma, invece, in materia scura, quella componente misteriosa che costituisce il 23% circa del contenuto materia-energia del nostro Universo. Infine, la stessa torsione potrebbe essere la sorgente dell’energia scura, quell’altra componente enigmatica dominante che costituisce il 73% circa del contenuto materia-energia dell’Universo e che permea tutto lo spazio causando una accelerazione dell’espansione. La geometria con un effetto di torsione produce in maniera naturale una costante cosmologica che rappresenta una sorta di forza aggiuntiva per spiegare nella maniera più semplice gli effetti dell’energia scura. In questo modo, l’espansione accelerata dell’Universo potrebbe terminare essendo l’evidenza più forte degli effetti dovuti alla torsione.

Per riepilogare, questo meccanismo di torsione fornisce un quadro teorico per uno scenario in cui la parte interna di un buco nero rappresenta un nuovo universo. Esso diventa anche una specie di rimedio ai maggiori problemi della cosmologia e delle varie teorie della gravità. Oggi, forse, i fisici hanno bisogno di combinare completamente la teoria della gravità di Einstein-Cartan-Sciama-Kibble con la meccanica quantistica in una teoria quantistica della gravità. Se, però, vengono superati alcuni problemi naturalmente emergono altre domande tipo: Che cosa sappiamo del buco nero all’interno del quale risiede il nostro Universo? Quanti altri universi esistono al di fuori del buco nero? Come facciamo a verificare che il nostro Universo esiste effettivamente all’interno di un buco nero? A quest’ultima domanda possiamo rispondere in questo modo: dato che tutte le stelle così come i buchi neri ruotano, il nostro Universo può aver ereditato una sorta di “direzione preferenziale” data dall’asse di rotazione del buco nero da cui discende. Di fatto, esiste una recente evidenza da uno studio relativo ad una survey di 15 mila galassie in cui si osserva che esistono più galassie a spirale che ruotano in senso antiorario in un emisfero mentre nell’altro emisfero esistono più galassie a spirale che ruotano nel verso opposto (post). Per concludere, secondo Poplawski tener conto degli effetti della torsione nella geometria dello spaziotempo rappresenta un passo fondamentale verso la formulazione di una nuova teoria cosmologica.

arXiv: Cosmology With Torsion - An Alternative To Cosmic Inflation

NGC 1365, un buco nero supermassiccio e ‘superveloce’

Un’immagine agli ultravioletti della NGC 1365 ottenuta con GALEX.
Credit: GALEX/NASA

Immaginate una sfera che si estende per più di 3 milioni di chilometri, circa otto volte la distanza media tra la Terra e la Luna, e che ruoti così velocemente che la sua superficie si muove a quasi la velocità della luce. Nella realtà questo oggetto esiste e si tratta del buco nero supermassiccio che risiede nel nucleo della galassia NGC 1365.

Gli astronomi hanno misurato la sua velocità di rotazione, o tecnicamente lo spin, utilizzando i dati raccolti dal NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) e dal satellite XMM-Newton. La gravità di un buco nero è così intensa che man mano che l’oggetto ruota esso trascina con sé lo spazio. L’estremità della regione dello spazio che viene trascinata dalla rotazione del buco nero viene chiamata orizzonte degli eventi. Qualsiasi materia che superi questa superficie ideale viene catturata dal buco nero e inizia ad accrescersi formando un disco di accrescimento che viene riscaldato dall’attrito producendo emissione di alta energia sottoforma di raggi-X. L’orbita interna più stabile, cioè il cosiddetto punto di non ritorno, dipende dallo spin del buco nero. Dato che un buco nero che ruota così velocemente distorce lo spazio, la materia del disco di accrescimento può arrivare molto vicina all’oggetto prima di essere catturata definitivamente. Ma perché è importante sapere la velocità di rotazione del buco nero? Esistono diverse ragioni. La prima è di natura fisica perché solo due numeri definiscono un buco nero: la massa e lo spin. Se conosciamo questi due parametri siamo in grado di sapere quasi tutto sull’oggetto. La cosa più importante è che lo spin ci dà informazioni sul suo passato e indirettamente sull’evoluzione della galassia ospite. In altre parole, lo spin del buco nero rappresenta una sorta di memoria, una ‘registrazione’, per così dire, della storia evolutiva della galassia. Nonostante il buco nero di NGC 1365 abbia oggi una massa dell’ordine di diversi milioni di masse solari, non è nato molto grosso. Si ritiene, invece, che sia evoluto nel corso di miliardi di anni accrescendo materia da stelle e gas e interagendo attraverso il fenomeno del merging con altri buchi neri. La sua rotazione è il risultato del trasferimento del momento angolare, un pò come avviene per l’altalena. Se, ad esempio, spingiamo in maniera casuale l’altalena mentre oscilla, vedremo che non si arriverà mai molto in alto. Però se spingiamo l’altalena alla fine di ogni oscillazione, quando ritorna indietro, vedremo che essa andrà sempre più in alto poiché stiamo trasferendo ad essa momento angolare. Allo stesso modo, se il buco nero cattura casualmente materia da tutte le direzioni, il suo spin risulterà basso. Dato che lo spin del buco nero in NGC 1365 è molto vicino al valore massimo possibile, gli astronomi ritengono che la sua massa sia aumentata attraverso un processo di accrescimento ‘ordinato’ piuttosto che mediante una serie di eventi ripetuti e casuali. Infine, queste osservazioni permetteranno ai teorici di eseguire una serie di test della relatività generale in condizioni estreme.

NASA: NASA's NuSTAR Helps Solve Riddle of Black Hole Spin

arXiv: A rapidly spinning supermassive black hole at the centre of NGC 1365

L’ambiente attorno ai buchi neri supermassicci

Presenti nei nuclei delle galassie, i buchi neri supermassicci sono determinanti per l’evoluzione delle stelle non solo grazie all’enorme e all’intensa attrazione gravitazionale che essi esercitano ma anche per la formazione dei getti relativistici che si diffondono nello spazio intergalattico.

“Durante la sua vita, un buco nero può emettere così tanta energia da superare quella dovuta a tutte le stelle della galassia”, spiega Roger Blandford direttore del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology e membro dell’Accademia delle Scienze negli Stati Uniti. “I buchi neri hanno un impatto fondamentale sulla formazione e l’evoluzione delle galassie”. Per definizione, i buchi neri non sono osservabili dato che esercitano una enorme attrazione gravitazionale che persino la luce non è in grado di vincere. Gli scienziati acquisiscono le informazioni sui buchi neri andando a studiare gli oggetti che orbitano attorno ad essi: in particolare, le stelle e i dischi di accrescimento. Grazie a queste informazioni indirette, gli astronomi sono in grado di elaborare una serie di modelli numerici allo scopo di descrivere i fenomeni fisici che avvengono attorno a questi ‘mostruosi’ oggetti. “Tutti i test della relatività generale seguono le previsioni della teoria di Einstein nel limite in cui il campo gravitazionale è debole, come ad esempio nel nostro Sistema Solare”, dice Jonathan McKinney, un professore di fisica dell’University of Maryland a College Park. “Tuttavia, esiste un altro regime, e cioè quello del campo gravitazionale forte, dove diventa più complicato verificare le previsioni della relatività generale. I buchi neri rappresentano il ‘luogo’ dello spazio più estremo per fare questi test”. Assieme ai dischi di accrescimento, in cui la materia orbita nella parte più esterna e a noi visibile dell’orizzonte degli eventi, i buchi neri sono caratterizzati da due getti relativistici che emergono dalle regioni centrali in direzione perpendicolare al piano del disco di accrescimento. Qui la materia è presente sottoforma di plasma o gas ionizzato e viene espulsa, per così dire, fino a centinaia o migliaia di anni-luce nello spazio intergalattico. McKinney, Tchekhovskoy e Blandford hanno simulato numericamente la formazione dei dischi di accrescimento e dei getti relativistici trovando che essi tendono a diventare molto più distorti ed incurvati rispetto a quanto ipotizzato in precedenza, una conseguenza dovuta sia all’estrema forza di gravità del buco nero che alle intense forze magnetiche generate dalla sua rotazione. Il loro modello fornisce così nuovi indizi molto dettagliati che contribuiscono ad una nuova conoscenza in questo campo di ricerca. Le simulazioni sono state realizzate con i potenti supercomputer della National Science Foundation’s Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).


XSEDE: Journey to the Limits of Spacetime

arXiv: Alignment of Magnetized Accretion Disks and Relativistic Jets with Spinning Black Holes

La ‘prima fotografia’ di un buco nero

Questa immagine a forma di mezzaluna rappresenta la simulazione migliore della regione in prossimità di Sgr A*, il buco nero supermassiccio che risiede nel nucleo della Via Lattea.
Credit: Kamruddin/Dexter

E’ noto che i buchi neri supermassicci risiedono nei nuclei delle galassie attive ma nessuno di essi è stato ‘osservato’ direttamente. Oggi, però, gli astronomi stanno cominciando a simulare una serie di immagini di quella che potrebbe essere la regione circostante il buco nero in prossimità dell’orizzonte degli eventi.

In particolare, alcuni ricercatori hanno trovato che l’immagine di un buco nero o, più precisamente, la regione che lo circonda in prossimità dell’orizzonte degli eventi, potrà avere una forma a ‘mezzaluna’ piuttosto che una forma a ‘blob’ così come viene spesso prevista dai modelli numerici. Naturalmente, i buchi neri sono invisibili per definizione dato che nemmeno la luce può sfuggire all’intensa forza gravitazionale. Tuttavia, l’orizzonte degli eventi, cioè quella regione ideale che definisce il ‘punto di non ritorno’, dovrebbe essere visibile a causa della radiazione emessa dalla materia che si accresce attorno al buco nero formando il cosiddetto disco di accrescimento. Un nuovo progetto scientifico, denominato Event Horizon Telescope, permetterà di raggiungere un elevato potere esplorativo, che altrimenti sarebbe troppo piccolo da ottenere, grazie ad una rete internazionale formata da diversi radiotelescopi sparsi sul globo. Questo strumento permetterà di realizzare una serie di immagini in prossimità dell’orizzonte degli eventi per cui gli astronomi si aspettano di ottenere la “prima immagine” entro i prossimi cinque anni. Dunque, cosa ci si aspetta? In realtà, secondo le recenti simulazioni realizzate da Ayman Bin Kamruddin e Jason Dexter, le immagini dovrebbero assomigliare a quelle di una mezzaluna piuttosto che avere la forma a blob che era stata simulata dai precedenti modelli. La forma a mezzaluna deriva dalla presenza del disco di accrescimento formato da polveri e gas che orbitano attorno al buco nero. Data la sua rotazione, il lato del disco che si muove verso l’osservatore a Terra diventa più luminoso a causa del ben noto effetto Doppler mentre il lato del disco che si allontana dall’osservatore appare più debole. Al centro della mezzaluna crescente vi è un cerchio scuro, chiamato l'”ombra del buco nero” che rappresenta effettivamente l’oggetto supermassiccio, mentre la luce risulta talmente deflessa a causa dall’intenso campo gravitazionale. Ora, dato che il modello a mezzaluna si adatta meglio ai dati ciò permette ai ricercatori di discriminare tra i diversi modelli che descrivono i processi fisici in prossimità dei buchi neri. In definitiva, gli astronomi sperano di ottenere le prime foto di Sagittarius A* in modo da misurare con precisione la massa del buco nero della Via Lattea e verificare direttamente l’esistenza dell’orizzonte degli eventi che, sebbene sia previsto dalle equazioni della relatività generale, nessuno lo ha mai osservato realmente.

Cyg X-1, un buco nero ‘estremo’

Questa immagine di Cyg X-1, ottenuta nella banda dei raggi-X, è stata realizzata dal telescopio High Energy Replicated Optics (HERO), posto su un pallone sonda. Credit: NASA.
Questa immagine di Cyg X-1, ottenuta nella banda dei raggi-X, è stata realizzata dal telescopio High Energy Replicated Optics (HERO), posto su un pallone sonda.
Credit: NASA.

Scoperto nel 1964, Cygnus X-1 detiene il record della sorgente di raggi-X più potente che siamo in grado di osservare dalla Terra. La stella supergigante blu, designata con la sigla HDE 226868, è una stella massiccia che fa parte di un sistema stellare binario che emette raggi-X, l’altro oggetto è un buco nero. Situato a circa 6000 anni-luce, Cyg X-1 è stato per quasi 50 anni uno degli oggetti celesti maggiormente più studiati. La stella variabile, una super gigante blu, orbita attorno al buco nero ad una distanza pari a circa 1/5 della distanza che separa il Sole dalla Terra (circa 0,2 unità astronomiche) mentre i venti stellari contribuiscono ad accrescere il disco attorno alla sorgente di raggi-X. Inoltre, si osservano un paio di getti attraverso i quali la materia viene spazzata nel mezzo interstellare mentre più in profondità il materiale super caldo determina l’emissione di alta energia. La domanda è: saremo in grado di separare la stella dall’orizzonte degli eventi?


arXiv: The Extreme Spin of the Black Hole in Cygnus X-1

M87, le prime misure dirette del disco di accrescimento attorno al buco nero

Nel linguaggio degli astronomi il cosiddetto “punto di non ritorno” di un buco nero indica quella superficie ideale, meglio nota come orizzonte degli eventi, dove l’attrazione gravitazionale è così intensa che nemmeno la luce riesce a sfuggire. Quei buchi neri supermassicci che possono raggiungere masse fino a qualche miliardo di masse solari risiedono principalmente nei nuclei delle galassie. La loro attività è così estrema al punto da influenzare l’intera galassia ospite.

Oggi, un gruppo di ricercatori del MIT’s Haystack Observatory hanno misurato per la prima volta il raggio di un buco nero che risiede nel nucleo di una galassia distante, ossia la distanza minima prima della quale la materia viene attratta inesorabilmente dal buco nero. Per derivare questa misura, gli astronomi si sono serviti del cosiddetto  Event Horizon Telescope (EHT) un telescopio speciale in grado di osservare dettagli estremamente piccoli fino a 2000 volte superiori rispetto al telescopio spaziale Hubble. Le osservazioni sono state condotte su M87, una galassia attiva situata a circa 50 milioni di anni-luce, che ospita un buco nero supermassiccio che ha una massa di 6 miliardi di volte superiore a quella solare. Grazie a questo strumento, i ricercatori hanno osservato la radiazione dovuta alla materia che cade verso il buco nero in prossimità dell’orizzonte degli eventi. “Una volta che la materia sorpassa l’orizzonte degli eventi essa non può più tornare indietro, è perduta per sempre. Si tratta di una porta d’uscita dal nostro Universo attraverso la quale non si torna indietro” dichiara Shep Doeleman, assistente al direttore del MIT Haystack Observatory. Le osservazioni realizzate dal gruppo di Doeleman hanno permesso di ricavare le dimensioni dell’orbita più interna del disco di accrescimento attorno al buco nero che risulta essere circa 5,5 volte il raggio dell’orizzonte degli eventi. Secondo le leggi della fisica, questo risultato suggerisce che il disco di accrescimento sta orbitando nella stessa direzione del buco nero e rappresenta la prima misura diretta che supporta alcune teorie su come i buchi neri alimentano i getti relativistici nei nuclei galattici attivi.

[Abstract: Jet-Launching Structure Resolved Near the Supermassive Black Hole in M87]

[Press release: Measuring the universe’s ‘exit door’]