Meddelelse

Det supertunge sorte hul i Mælkevejens centrum får måske nære stjerner til at bevæge sig relativistisk

Atter en førstegangsopdagelse

9. august 2017

Stjernerne helt tæt inde ved det sorte hul i midten af Mælkevejen viser de forventede svage relativistiske effekter i deres baner, som er forudset af Einsteins generelle relativitetsteori. Det antyder en ny gennemgang af data fra ESOs Very Large Telescope og andre teleskoper. Banen for stjernen S2 ser ud til afvige en smule fra det, man får, hvis man kun beregner banen med klassisk fysik. Det spændene resultat lægger op til endnu mere præcise målinger, som bliver gjort med instrumentet GRAVITY, når S2 i 2018 passerer meget tæt forbi det enorme sorte hul.

I centrum af Mælkevejen 26 000 lysår fra Jorden ligger et supertungt sort hul, som vejer fire millioner gange mere end Solen. Monsteret omgives af en lille gruppe stjerner, som med høje hastigheder kredser i det meget kraftige tyngdefelt tæt på det sorte hul. Det er det helt perfekte sted at teste gravitationsfysikken og særligt Einsteins Generelle Relativitetsteori.

Et forskerhold med tyske og tjekkiske astronomer har brugt en ny analyseteknik på de mange allerede eksisterende observationer af stjernerne, som kredser omkring det sorte hul. Det er observationer indhøstet med ESOs Very Large Telescope (VLT) i Chile og med andre instrumenter over de sidste tyve år[1]. Forskerne sammenlignede de observerede stjernebevægelser med forudsigelser på basis af klassisk fysik ifølge Newtons tyngdelov , så vel som forudsigelser fra den generelle relativitetsteori.

For en af stjernerne, den som kaldes S2 fandt forskerne hvad der tyder på en lille ændring i banebevægelsen, og den er konsistent med det, som den generelle relativitetsteori forudsiger[2]. Ændringerne i banens form på grund af de relativistiske effekter bliver kun til få procent, og det bliver kun til en sjettedel grad i banens orientering i rummet[3]. Hvis opdagelsen kan bekræftes, vil det være første gang, det er lykkedes at måle styrken af generelle relativistiske effekter for stjerner i kredsløb tæt omkring et sort hul.

Marzieh Parsa, PhD student ved University of Cologne, Tyskland og hovedforfatter på artiklen glæder sig: "Galaksens centrum er det bedste laboratorium man kan tænke sig til at studere stjerners bevægelser i et relativistisk miljø. Jeg blev forbavset over hvor godt vi kunne bruge de metoder, som vi har udviklet med simulerede stjerner også til de højpræcisionsdata, vi har for de inderste hurtige stjerner tæt ved det supertunge sorte hul."

VLTs nærinfrarøde adaptive optik har gjort det muligt at måle positionerne med stor nøjagtighed, og det har været altafgørende for arbejdet her [4]. Disse målinger har været vigtige ikke blot mens stjernen har været tæt ved det sorte hul, men også og især i den tid, hvor S2 har været længere væk. Det er de sidstnævnte data, som har gjort det muligt at bestemme banens form med stor nøjagtighed.

"Undervejs i arbejdet måtte vi konstatere, at det, for at bestemme relativistiske effekter for S2s bane, var nødvendigt at kende hele baneomløbet med meget stor nøjagtighed", kommenterer Andreas Eckart, som leder forskerholdet fra Kölns Universitet.

Den nye analyse giver, ud over mere præcise oplysninger om banen for S2, også massen af det sorte hul og afstanden fra os på Jorden med endnu større præcision end hidtil[5].

Medforfatter Vladimir Karas fra Det videnskabelige Akademi i Prag i Tjekkiet er spændt på fremtiden: "Det her viser vejen til både nye teorier og eksperimenter i denne forskningsgren."

Analysearbejdet her er en forløber for en spændende tid med hensyn til observationer af Galaksecenteret. Astronomer fra hele Verden følger med, når S2 i løbet af 2018 passerer meget tæt forbi det supertunge sorte hul. Når det sker denne gang har forskerne adgang til instrumentet GRAVITY, som kan bruges til at måle banen meget mere nøjagtigt end det hidtil har været muligt. GRAVITY er udviklet af et stort internationalt konsortium ledet af Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik i Garching, Tyskland [6]. Instrumentet er monteret på VLT Interferometeret [7], og det er allerede igang med at udføre meget præcise observationer af Mælkevejens centralområde. Det forventes ikke blot at kunne vise effekterne af generel relativitet meget tydeligt. Det vil også gøre det muligt for astronomerne at se efter, om der er afvigelser fra teorien, som måske kunne være tegn på en helt ny erkendelse i fysikken.

NOTER

[1] Det drejer sig om data fra det nær-infrarøde kamera NACO, som nu er monteret ved VLT Unit Telescope 1 (Antu) og nær-infrarødspektrometeret SINFONI på Unit Telescope 4 (Yepun). Desuden er der brugt data i artiklen fra Keck Observatoriet.

[2] S2 vejer 15 gange mere end Solen, og den bevæger sig i en elliptisk bane omkring de supertunge sorte hul. Omløbstiden er 15,6 år, og mindsteafstanden er 17 lystimer til det sorte hul. Det svarer til 120 gange afstanden fra Solen til Jorden.

[3] En lignende, men meget mindre effekt ser man ved ændringer i planeten Merkurs bane i Solsystemet. Målinger af det fænomen var i slutningen af det nittende århundrede et af de bedste tidlige beviser på, at Newtons tyngdelov ikke var hele historien. Det viste frem til, at det var nødvendigt med ny viden for at forstå kraftige gravitationsfelter. Løsningen på problemerne kom med Einsteins offentliggørelse af den generelle relativitetsteori, baseret på krum rumtid, i 1915.

Når man beregner baner for stjerner og planeter ved hjælp af generel relativitet, og ikke kun ud fra Newtons tyngdelov, bliver resultaterne forskellige. De to teorier giver forskellige resultater, når man prøver at fremskrive baners facon og orientering. Målinger af forskellene kan bruges til at afprøve gyldigheden for den generelle relativitetsteori.

[4] Et system med adaptiv optik udligner de billedforstyrrelser, som skyldes den turbulente atmosfære. Det sker i real-time, og det bevirker, at teleskopet kan give en så meget større vinkelopløsning (altså billedskarphed), som kun er begrænset af spejldiameteren og bølgelængden for det lys, som man udnytter ved observationerne.

[5] Forskerne finder, at massen af det sorte hul er 4,2 x 10⁶ gange større end Solens masse, og afstanden fra os er 8,2 kiloparsec, svarende til næsten 27 000 lysår.

[6] University of Cologne deltager i GRAVITY-holdet (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity), og herfra har man bidraget med systemets spektrometre, som kombinerer de enkelte stråler.

[7] GRAVITY First Light var i 2016, og instrumentet observerer allerede Mælkevejens centrum. and it is already observing the Galactic Centre.

Flere oplysninger

Forskningsresultaterne her bliver offentliggjort i en artikel med titlen “Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center”, af M. Parsa et al., i tidsskriftet Astrophysical Journal.

Forskerholdet består af Marsieh Parsa, Andreas Eckart (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Tyskland; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Tyskland), Banafsheh Shahzamanian (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Tyskland), Christian Straubmeier (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Tyskland), Vladimir Karas (Astronomical Institute, Academy of Science, Prague, Czechia), Michal Zajacek (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Tyskland; I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Tyskland) and J. Anton Zensus (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Tyskland).

ESO er den fremmeste fællesnationale astronomiorganisation i Europa, og verdens langt mest produktive jordbaserede astronomiske observatorium. 16 lande er med i ESO: Belgien, Brazilien, Danmark, Finland, Frankrig, Italien, Nederlandene, Polen, Portugal, Spanien, Sverige, Schweiz, Storbritannien, Tjekkiet, Tyskland og Østrig, og desuden værtsnationen Chile. ESO har et ambitiøst program, som gør det muligt for astronomer at gøre vigtige videnskabelige opdagelser. Programmet har focus på design, konstruktion og drift af stærke jordbaserede observatorier. Desuden har ESO en ledende rolle i formidling og organisering af samarbejde omkring astronomisk forskning. ESO driver tre enestående observatorier i verdensklasse i Chile: La Silla, Paranal og Chajnantor. På Paranal driver ESO VLT, Very Large Telescope, som er verdens mest avancerede observatorium for synligt lys, samt to oversigtsteleskoper. VISTA, som observerer i infrarødt, er verdens største oversigtsteleskop, og VLT Survey Teleskopet er det største teleskop bygget til at overvåge himlen i synligt lys. ESO er en af de største partnere i ALMA, som er det største eksisterende astronomiprojekt. For tiden bygges ELT, et 39 m optisk og nærinfrarødt teleskop på Cerro Armazones, tæt ved Paranal. Det bliver "verdens største himmeløje".