Very Large Telescope ser stjerne danse rundt om supermassive sorte hul, giver Einstein ret

Observationer foretaget med ESO's Very Large Telescope (VLT) har for første gang afsløret, at en stjerne, der kredser om det supermassive sorte hul i centrum af Mælkevejen, bevæger sig præcis som forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori. Dens bane er formet som en roset og ikke som en ellipse som forudsagt af Newtons tyngdekraftsteori. Dette længe efterspurgte resultat blev muliggjort af stadig mere præcise målinger over næsten 30 år, som har gjort det muligt for videnskabsmænd at låse op for mysterierne om den behemoth, der lurer i hjertet af vores galakse.

"Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger, at bundne baner for et objekt omkring et andet ikke er lukket, som i Newtonsk tyngdekraft, men pres fremad i bevægelsesplanet. Denne berømte effekt - først set i planeten Merkurs kredsløb omkring Solen - var det første bevis til fordel for generel relativitet. Hundrede år senere har vi nu opdaget den samme effekt i bevægelsen af ​​en stjerne, der kredser om den kompakte radiokilde Sagittarius A* i centrum af Mælkevejen. Dette observationsgennembrud styrker beviserne for, at Skytten A* må være et supermassivt sort hul på 4 millioner gange Solens masse, " siger Reinhard Genzel, Direktør ved Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching, Tyskland og arkitekten bag det 30 år lange program, der førte til dette resultat.

Beliggende 26.000 lysår fra Solen, Skytten A* og den tætte klynge af stjerner omkring den udgør et unikt laboratorium til at teste fysik i et ellers uudforsket og ekstremt tyngdekraftregime. En af disse stjerner, S2, fejer ind mod det supermassive sorte hul til en nærmeste afstand på mindre end 20 milliarder kilometer (hundredeogtyve gange afstanden mellem Solen og Jorden), hvilket gør den til en af ​​de nærmeste stjerner, der nogensinde er fundet i kredsløb om den massive kæmpe. Nærmest det sorte hul, S2 suser gennem rummet med næsten tre procent af lysets hastighed, at gennemføre en bane en gang hvert 16. år. "Efter at have fulgt stjernen i dens kredsløb i over to og et halvt årti, vores udsøgte målinger detekterer robust S2's Schwarzschild-præcession på sin vej omkring Skytten A*, siger Stefan Gillessen fra MPE, der ledede analysen af ​​målingerne offentliggjort i dag i tidsskriftet Astronomi og astrofysik .

De fleste stjerner og planeter har en ikke-cirkulær bane og bevæger sig derfor tættere på og længere væk fra det objekt, de roterer omkring. S2's kredsløbspræcesser, hvilket betyder, at placeringen af ​​dets nærmeste punkt til det supermassive sorte hul ændres for hver tur, sådan at den næste bane roteres i forhold til den forrige, skabe en rosetform. Generel relativitet giver en præcis forudsigelse af, hvor meget dens kredsløb ændrer sig, og de seneste målinger fra denne forskning matcher nøjagtigt teorien. Denne effekt, kendt som Schwarzschild præcession, var aldrig før blevet målt for en stjerne omkring et supermassivt sort hul.

Studiet med ESO's VLT hjælper også videnskabsmænd med at lære mere om nærheden af ​​det supermassive sorte hul i midten af ​​vores galakse. "Fordi S2-målingerne følger generel relativitet så godt, vi kan sætte strenge grænser for, hvor meget usynligt materiale, såsom distribueret mørkt stof eller mulige mindre sorte huller, er til stede omkring Skytten A*. Dette er af stor interesse for at forstå dannelsen og udviklingen af ​​supermassive sorte huller, siger Guy Perrin og Karine Perraut, de franske ledende videnskabsmænd i projektet.

Dette resultat er kulminationen på 27 års observationer af S2-stjernen ved hjælp af, i den bedste del af denne tid, en flåde af instrumenter på ESO's VLT, beliggende i Atacama-ørkenen i Chile. Antallet af datapunkter, der markerer stjernens position og hastighed, vidner om grundigheden og nøjagtigheden af ​​den nye forskning:holdet udførte over 330 målinger i alt, ved hjælp af GRAVITY, SINFONI og NACO instrumenter. Fordi S2 tager år at kredse om det supermassive sorte hul, det var afgørende at følge stjernen i næsten tre årtier, at optrevle forviklingerne i dens orbitale bevægelse.

Forskningen blev udført af et internationalt hold ledet af Frank Eisenhauer fra MPE med samarbejdspartnere fra Frankrig, Portugal, Tyskland og ESO. Teamet udgør GRAVITY-samarbejdet, opkaldt efter instrumentet de udviklede til VLT Interferometer, som kombinerer lyset fra alle fire 8-meter VLT-teleskoper til et superteleskop (med en opløsning svarende til et teleskop på 130 meter i diameter). Det samme hold rapporterede i 2018 om en anden effekt forudsagt af generel relativitet:de så lyset modtaget fra S2 blive strakt til længere bølgelængder, da stjernen passerede tæt på Skytten A*. "Vores tidligere resultat har vist, at lyset, der udsendes fra stjernen, oplever generel relativitet. Nu har vi vist, at stjernen selv fornemmer virkningerne af generel relativitet, " siger Paulo Garcia, en forsker ved Portugals Center for Astrofysik og Gravitation og en af ​​de ledende videnskabsmænd i GRAVITY-projektet.

Med ESO's kommende Extremely Large Telescope, holdet mener, at de ville være i stand til at se meget svagere stjerner, der kredser endnu tættere på det supermassive sorte hul. "Hvis vi er heldige, vi kan fange stjerner tæt nok på, at de rent faktisk kan mærke rotationen, spindet, af det sorte hul, siger Andreas Eckart fra Köln Universitet, en anden af ​​projektets ledende videnskabsmænd. Dette ville betyde, at astronomer ville være i stand til at måle de to størrelser, spin og masse, der karakteriserer Skytten A* og definerer rum og tid omkring det. "Det ville igen være et helt andet niveau af test af relativitet, " siger Eckart.

Denne forskning blev præsenteret i papiret "Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic Center massive black hul" for at blive vist i Astronomi og astrofysik .