Stjerner, der kredser om supermassive sorte hul, viser, at Einstein havde ret igen

I centrum af vores galakse, omkring 26, 000 lysår fra Jorden, ligger det supermassive sorte hul (SMBH) kendt som Sagittarius A*. Måler 44 millioner km på tværs, dette objekt er omkring 4 millioner gange så massivt som vores sol og udøver en enorm tyngdekraft. Da astronomer ikke kan opdage sorte huller direkte, dens eksistens er i vid udstrækning blevet bestemt ud fra den effekt, den har på den lille gruppe af stjerner, der kredser om den.

I denne henseende, videnskabsmænd har fundet ud af, at observation af Skytten A* er en effektiv måde at teste tyngdekraftens fysik på. For eksempel, i løbet af at observere disse stjerner, et hold tyske og tjekkiske astronomer bemærkede subtile virkninger forårsaget af det sorte huls tyngdekraft. Ved at gøre sådan, de var i stand til endnu en gang at bekræfte nogle af forudsigelserne fra Einsteins berømte teori om generel relativitet.

Deres studie, med titlen "Undersøgelse af den relativistiske bevægelse af stjernerne nær det supermassive sorte hul i det galaktiske center", blev for nylig offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift . Som det er angivet i løbet af det, holdet anvendte nye analyseteknikker på eksisterende observationer, som blev foretaget af European Southern Observatory's (ESO) Very Large Telescope (VLT) og andre teleskoper i løbet af de sidste 20 år.

Fra dette, de målte kredsløbene for de stjerner, der kredser om Skytten A* for at teste forudsigelser lavet af klassisk newtonsk fysik (dvs. universel gravitation), samt forudsigelser baseret på generel relativitet. Hvad de fandt var, at en af ​​stjernerne (S2) viste afvigelser i sin bane, som trodsede førstnævnte, men var i overensstemmelse med sidstnævnte.

Denne stjerne, som har 15 gange vores sols masse, følger en elliptisk bane omkring SMBH, fuldføre en enkelt bane på omkring 15,6 år. På det nærmeste, det når inden for 17 lyse timer fra det sorte hul, hvilket svarer til 120 gange afstanden mellem Solen og Jorden (120 AU). I det væsentlige, forskerholdet bemærkede, at S2 havde den mest elliptiske bane af enhver stjerne, der kredsede om det supermassive sorte hul.

De bemærkede også en lille ændring i dens kredsløb - nogle få procent i formen og omkring en sjettedel af en grads orientering. Dette kunne kun forklares som værende på grund af de relativistiske virkninger forårsaget af Skytten A* intens tyngdekraft, som forårsager en præcession i dens kredsløb. Hvad dette betyder er, den elliptiske sløjfe af S2's kredsløb roterer rundt om SMBH over tid, med sit perihelpunkt rettet i forskellige retninger.

Interessant nok, dette svarer til den effekt, der blev observeret i Merkurs kredsløb – aka. "perihelion præcession af Merkur" - i slutningen af ​​det 19. århundrede. Denne observation udfordrede klassisk newtonsk mekanik og fik videnskabsmænd til at konkludere, at Newtons tyngdekraftsteori var ufuldstændig. Det er også det, der fik Einstein til at udvikle sin teori om generel relativitet, som gav en tilfredsstillende forklaring på problemet.

Skulle resultaterne af deres undersøgelse bekræftes, det vil være første gang, at virkningerne af den generelle relativitetsteori er blevet præcist beregnet ved hjælp af de stjerner, der kredser om et supermassivt sort hul. Marzieh Parsa – en ph.d.-studerende ved universitetet i Köln, Tyskland og hovedforfatter af papiret - var forståeligt nok begejstret over disse resultater. Som hun udtalte i en pressemeddelelse fra ESO:

"Det galaktiske center er virkelig det bedste laboratorium til at studere stjerners bevægelse i et relativistisk miljø. Jeg var overrasket over, hvor godt vi kunne anvende de metoder, vi udviklede med simulerede stjerner til højpræcisionsdata for de inderste højhastighedsstjerner tæt på det supermassive sorte hul."

Denne undersøgelse blev muliggjort takket være den høje nøjagtighed af VLT's instrumenter; i særdeleshed, den adaptive optik på NACO-kameraet og SINFONI nær-infrarøde spektrometer. Disse instrumenter var afgørende for at spore stjernens tætte tilgang og trække sig tilbage fra det sorte hul, hvilket gjorde det muligt for holdet præcist at bestemme formen på sin bane og dermed bestemme de relativistiske effekter på stjernen.

Ud over de mere præcise oplysninger om S2's kredsløb, holdets analyse gav også nye og mere nøjagtige skøn over Sagittarius A*-massen, samt dens afstand fra Jorden. Dette kunne åbne op for nye forskningsmuligheder for dette og andre supermassive sorte huller, samt yderligere eksperimenter, der kunne hjælpe videnskabsmænd med at lære mere om tyngdekraftens fysik.

Resultaterne gav også en forsmag på de målinger og test, der vil finde sted næste år. I 2018, stjernen S2 vil nærme sig Skytten A* meget tæt. Forskere fra hele verden vil bruge denne mulighed til at teste GRAVITY-instrumentet, et andengenerationsinstrument, der for nylig blev installeret på Very Large Telescope Interferometer (VLTI).

Udviklet af et internationalt konsortium ledet af Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, dette instrument har udført observationer af Galactic Center siden 2016. I 2018, det vil blive brugt til at måle kredsløbet for S2 med endnu større præcision, hvilket forventes at være mest afslørende. På dette tidspunkt, astrofysikere vil søge at foretage yderligere målinger af SMBH's generelle relativistiske virkninger.

Udover det, de håber også at opdage yderligere afvigelser i stjernens kredsløb, der kunne antyde eksistensen af ​​ny fysik! Med de rigtige værktøjer trænet på det rigtige sted, og på det rigtige tidspunkt, videnskabsmænd kan bare finde ud af, at selv Einsteins teorier om tyngdekraften ikke var helt fuldstændige. Men i mellemtiden, det ser ud til, at den afdøde og store teoretiske fysiker havde ret igen.