Første vellykkede test af Einsteins generelle relativitetsteori nær supermassive sorte hul (Opdatering)

Observationer foretaget med ESO's Very Large Telescope har for første gang afsløret virkningerne forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori på bevægelsen af ​​en stjerne, der passerer gennem det ekstreme tyngdefelt nær det supermassive sorte hul i centrum af Mælkevejen. Dette længe søgte resultat repræsenterer højdepunktet i en 26 år lang observationskampagne ved hjælp af ESO's teleskoper i Chile.

Skjult af tykke skyer af absorberende støv, det nærmeste supermassive sorte hul på jorden ligger 26 000 lysår væk i midten af ​​Mælkevejen. Dette gravitationsmonster, som har en masse fire millioner gange solens, er omgivet af en lille gruppe stjerner, der kredser omkring den med høj hastighed. Dette ekstreme miljø – det stærkeste gravitationsfelt i vores galakse – gør det til det perfekte sted at udforske gravitationsfysik, og især for at teste Einsteins generelle relativitetsteori.

Nye infrarøde observationer fra den udsøgt følsomme GRAVITY, SINFONI og NACO instrumenter på ESO's Very Large Telescope (VLT) har nu gjort det muligt for astronomer at følge en af ​​disse stjerner, kaldet S2, da den passerede meget tæt på det sorte hul i løbet af maj 2018. På det nærmeste sted var denne stjerne i en afstand på mindre end 20 milliarder kilometer fra det sorte hul og bevægede sig med en hastighed på over 25 millioner kilometer i timen - næsten tre procent af lysets hastighed.

Holdet sammenlignede positions- og hastighedsmålingerne fra henholdsvis GRAVITY og SINFONI, sammen med tidligere observationer af S2 ved brug af andre instrumenter, med forudsigelserne om Newtons tyngdekraft, generel relativitetsteori og andre teorier om tyngdekraft. De nye resultater er uforenelige med newtonske forudsigelser og i god overensstemmelse med forudsigelserne om generel relativitet.

Disse ekstremt præcise målinger blev foretaget af et internationalt hold ledet af Reinhard Genzel fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching, Tyskland, i samarbejde med samarbejdspartnere rundt om i verden, ved Paris Observatory-PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max Planck Institute for Astronomy, universitetet i Köln, det portugisiske CENTRA - Centro de Astro s sica e Gravitação og ESO. Observationerne er kulminationen på en 26-årig serie af stadigt mere præcise observationer af Mælkevejens centrum ved hjælp af ESO-instrumenter.

"Det er anden gang, vi har observeret den tætte passage af S2 omkring det sorte hul i vores galaktiske centrum. Men denne gang, på grund af meget forbedret instrumentering, vi var i stand til at observere stjernen med hidtil uset opløsning, " forklarer Genzel. "Vi har forberedt os intenst på denne begivenhed i flere år, da vi ønskede at få mest muligt ud af denne unikke mulighed for at observere generelle relativistiske effekter."

De nye målinger afslører klart en effekt kaldet tyngdekrafts rødforskydning. Lys fra stjernen strækkes til længere bølgelængder af det sorte huls meget stærke gravitationsfelt. Og ændringen i lysets bølgelængde fra S2 stemmer netop overens med den, der er forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori. Det er første gang, at denne afvigelse fra forudsigelserne fra den simplere Newtonske teori om tyngdekraft er blevet observeret i en stjernes bevægelse omkring et supermassivt sort hul.

Teamet brugte SINFONI til at måle hastigheden af ​​S2 mod og væk fra Jorden og GRAVITY -instrumentet i VLT -interferometeret (VLTI) til at foretage ekstraordinært præcise målinger af S2's skiftende position for at definere formen på dets bane. GRAVITY skaber så skarpe billeder, at den kan afsløre stjernens bevægelse fra nat til nat, når den passerer tæt på det sorte hul – 26.000 lysår fra Jorden.

"Vores første observationer af S2 med GRAVITY, for omkring to år siden, allerede vist, at vi ville have det ideelle sorte hul-laboratorium, " tilføjer Frank Eisenhauer (MPE), Principal Investigator of GRAVITY og SINFONI spektrografen. "Under den tætte passage, vi kunne endda opdage det svage skær omkring det sorte hul på de fleste af billederne, som gjorde det muligt for os præcist at følge stjernen på dens bane, i sidste ende fører til påvisning af gravitationsrødforskydningen i spektret af S2. "

Mere end hundrede år efter at han udgav sit papir, der opstillede ligningerne for generel relativitet, Einstein har endnu en gang vist sig at have ret - i et meget mere ekstremt laboratorium, end han muligvis havde forestillet sig!

Françoise Delplancke, leder af systemingeniørafdelingen hos ESO, forklarer betydningen af ​​observationerne:"Her i solsystemet kan vi kun teste fysikkens love nu og under visse omstændigheder. Så det er meget vigtigt inden for astronomi også at kontrollere, at disse love stadig er gyldige, hvor gravitationsfelterne er meget stærkere ."

Fortsatte observationer forventes snart at afsløre en anden relativistisk effekt - en lille rotation af stjernens bane, kendt som Schwarzschild-præcession - da S2 bevæger sig væk fra det sorte hul.

Xavier Barcons, ESO's generaldirektør, konkluderer:"ESO har arbejdet sammen med Reinhard Genzel og hans team og samarbejdspartnere i ESO -medlemsstaterne i mere end et kvart århundrede. Det var en kæmpe udfordring at udvikle de unikt kraftfulde instrumenter, der er nødvendige for at foretage disse meget sarte målinger og implementere dem på VLT i Paranal. Opdagelsen, der blev annonceret i dag, er det meget spændende resultat af et bemærkelsesværdigt partnerskab. "