Ruch gwiazdy w pobliżu supermasywnej czarnej dziury pokazał, że Einstein miał rację [WIDEO]

Najbliższa względem Ziemi supermasywna czarna dziura znajduje się 26 tysięcy lat świetlnych od nas w centrum Drogi Mlecznej i jest przesłonięta przez grube obłoki absorbującego pyłu. Ten grawitacyjny potwór, o masie cztery miliony razy większej niż masa Słońca, jest otoczony przez małą grupę gwiazd krążących wokół niego po orbitach z dużą prędkością. Ekstremalne środowisko – najsilniejsze pole grawitacyjne w naszej galaktyce – czyni obiekt idealnym miejscem do badania fizyki grawitacyjnej, a w szczególności testowania Ogólnej Teorii Względności Einsteina.

Nowe podczerwone obserwacje z wyjątkowo czułych instrumentów GRAVITY, SINFONI i NACO na należącym do ESO Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) pozwoliły astronomom na śledzenie jednej z tych gwiazd, nazwanej S2, w okresie gdy przeszła bardzo blisko czarnej dziury w maju 2018 r. W najbliższym punkcie gwiazda znajdowała się w odległości mniejszej niż 20 miliardów kilometrów od czarnej dziury i poruszała się z prędkością przekraczającą 25 milionów kilometrów na godzinę – prawie 3% prędkości światła.

S2 krąży wokół czarnej dziury z okresem 16 lat po silnie ekscentrycznej orbicie, która sprowadza ją na dystans mniejszy niż 20 miliardów kilometrów – 120 razy odległość Ziemia-Słońce, albo cztery razy dystans Neptun-Słońce – w punkcie zbliżenia do czarnej dziury.

Badacze porównali pomiary pozycji i prędkości odpowiednio z GRAVITY i SINFONI, razem z wcześniejszymi obserwacjami S2 dokonanymi przy pomocy innych instrumentów, z przewidywaniami grawitacji newtonowskiej, ogólnej teorii względności oraz innymi teoriami grawitacji. Nowe wyniki są zgodnie z przewidywaniami newtonowskimi i niesamowicie zgodne z przewidywaniami teorii względności.

Te niesamowicie precyzyjne pomiary zostały przeprowadzone przez międzynarodowy zespół, który kierował Reinhard Genzel z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) w Garching (Niemcy), we współpracy z naukowcami z całego świata, z Paris Observatory–PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max Planck Institute for Astronomy, University of Cologne, Portuguese CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação i ESO. Obserwacje te są kulminacją 26-letniej serii jeszcze bardziej precyzyjnych obserwacji centrum Drogi Mlecznej przy pomocy instrumentów ESO.

Po raz drugim obserwowaliśmy bliskie przejście S2 obok czarnej dziury w galaktycznym centrum. Ale tym razem, z powodu znacznego polepszenia instrumentarium, byliśmy w stanie obserwować gwiazdę z niespotykaną rozdzielczością. Intensywnie przygotowywaliśmy się do tego zdarzenia przez kilka lat, gdyż chcieliśmy uzyskać jak najwięcej z tej unikalnej szansy na obserwację efektów przewidywanych przez ogólną teorię względności.

Nowe pomiary wyraźnie pokazały efekt zwany poczerwienieniem grawitacyjnym. Światło od gwiazdy jest rozciągane do dłuższych fal przez bardzo silne pole grawitacyjne czarnej dziury. Zmiana długości fali świetlnej od S2 zgadza się dokładne z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina. Po raz pierwszy odchyłki od przewidywań prostszej newtonowskiej teorii grawitacji zostały zaobserwowane w ruchu gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury.

Naukowcy wykorzystali SINFONI do zmierzenia prędkości S2 w kierunku Ziemi, a instrument GRAVITY na Interferometrze VLT (VLTI) do wykonania niesamowicie precyzyjnych pomiarów zmian pozycji S2, aby zdefiniować kształt jej orbity. GRAVITY tworzy ostre obrazy, które ujawniają ruch gwiazdy z nocy na noc, gdy przechodzi ona blisko czarnej dziury – 26 000 lat świetlnych od Ziemi.

Nasze pierwsze obserwacje S2 przy pomocy GRAVITY, około dwa lata temu, już wtedy pokazały, że będziemy mieć idealne laboratorium czarnej dziury. Podczas bliskiego przejścia mogliśmy nawet wykryć słabe świecenie wokół czarnej dziury na większości zdjęć, co pozwoliło precyzyjnie śledzić gwiazdę na jej orbicie, prowadząc ostatecznie do wykrycia poczerwienienia grawitacyjnego w widmie S2.

Ponad sto lat po publikacji pracy definiującej równania ogólnej teorii względności, kolejny raz udało się dowieść, że Einstein miał rację – w znacznie bardziej ekstremalnym laboratorium niż można było sobie wyobrazić!

Françoise Delplancke, kierująca System Engineering Department w ESO, wyjaśnia znaczenie tych obserwacji: „W Układzie Słonecznym możemy testować prawa fizyki w określonych warunkach. Ale w astronomii jest bardzo ważne, aby sprawdzić, czy te prawa działają także, gdy pola grawitacyjne są znacznie silniejsze”.

Naukowcy spodziewają się, że dalsze obserwacje ujawnią wkrótce inny efekt relatywistyczny – niewielką rotacje orbity gwiazdy, znaną jako precesja Schwarzschilda — gdy S2 będzie oddalać się od czarnej dziury.

Xavier Barcons, Dyrektor Generalny ESO, podsumowuje: ESO pracowało razem z Reinhardem Genzelem i jego zespołem oraz współpracownikami w Krajach Członkowskich ESO przez ponad ćwierć wieku. Było to olbrzymie wyzwanie, aby opracować potężne, unikalne instrumenty potrzebne do wykonania tych niezwykle delikatnych pomiarów oraz aby umieścić je na VLT w Paranal. Ogłoszone dzisiaj odkrycie jest bardzo ciekawym rezultatem niezwykłego partnerstwa.”

Źródło: Europejskie Obserwatorium Południowe