Tiedote

Vihje Linnunradan keskustassa supermassiivista mustaa aukkoa kiertävien tähtien relativistisista vaikutuksista

9. elokuuta 2017

ESO:n VLT-teleskoopin ja muiden teleskooppien aineiston uusi analyysi antaa ymmärtää, että Linnunradan keskustan supermassiivista mustaa aukkoa kiertävien tähtien radat saattavat käyttäytyä Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamien hienoisten ilmiöiden mukaisesti. Tähden S2 kiertoradan oletetaan poikkeavan hieman klassisen fysiikan mukaan lasketusta radasta. Tämä kiehtova tulos on johdanto paljon tarkemmille mittauksille ja suhteellisuusteorian testeille, joita tehdään GRAVITY-havaintolaitteella tähden S2 ohittaessa mustan aukon hyvin läheltä vuonna 2018.

Linnunradan keskustassa, 26 000 valovuoden etäisyydellä Maasta, sijaitsee meitä lähin supermassiivinen musta aukko, jonka massa on neljä miljoonaa kertaa Auringon massa. Tätä hirviötä ympäröi pieni joukko tähtiä, jotka kiertävät suurilla nopeuksilla mustan aukon hyvin voimakkaassa painovoimakentässä. Se on täydellinen ympäristö painovoimafysiikan ja erityisesti Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian testaamiseen.

Saksalaisten ja tšekkiläisten tähtitieteilijöiden tutkimusryhmä on nyt käyttänyt uutta analysointitekniikkaa joukkoon ESO:n VLT-teleskoopilla (Very Large Telescope) Chilessä ja muilla teleskoopeilla viimeisten 20 vuoden aikana tehtyjä havaintoja mustaa aukkoa kiertävistä tähdistä [1]. He vertasivat mitattuja tähtien ratoja klassista Newtonin painovoimalakia käyttäviin ennusteisiin ja yleisen suhteellisuusteorian ennusteisiin.

Tutkimusryhmä löysi vihjeitä nimellä S2 tunnetun tähden liikkeen pienestä muutoksesta, joka on yhteensopiva yleisen suhteellisuusteorian ennusteen kanssa [2]. Relativististen ilmiöiden aiheuttama muutos on vain muutama prosentti kiertoradan muodossa sekä vain noin yksi kuudesosa-aste radan suunnassa [3]. Mikäli havainto varmistetaan, tämä on ensimmäinen kerta, kun yleisen suhteellisuusteorian vaikutusten voimakkuus on mitattu supermassiivista mustaa aukkoa kiertäville tähdille.

Saksassa sijaitsevan Kölnin yliopiston jatko-opiskelija ja tutkimusjulkaisun pääkirjoittaja Marzieh Parsa on ilahtunut: "Linnunradan keskusta on todella paras laboratorio tutkia tähtien liikkeitä relativistisessa ympäristössä. Olin yllättynyt siitä kuinka hyvin me saatoimme käyttää mallintamillamme tähdillä kehittämiämme menetelmiä supermassiivisen mustan aukon lähellä olevien lähimpien suuren nopeuden tähtien suuren tarkkuuden havaintoaineistoon."

VLT:n adaptiivista optiikkaa käyttävien lähi-infrapunahavaintolaitteiden sijaintimittausten suuri tarkkuus oli välttämätön tutkimukselle [4]. Nämä eivät olleet elintärkeitä vain tähden lähiohituksen mustan aukon kanssa aikana, vaan erityisesti myös aikana, jolloin S2 oli kauempana mustasta aukosta. Myöhempi aineisto mahdollisti radan muodon tarkan määrittämisen.

"Analyysimme aikana tajusimme, että S2:n relativististen ilmiöiden määrittäminen edellyttää kiertoradan tarkan tuntemisen hyvin suurella tarkkuudella," kommentoi Andreas Eckart, tutkimusryhmän johtaja Kölnin yliopistosta.

Tähden S2 kiertoradan tarkemman määrittämisen lisäksi uusi analyysi antaa myös mustan aukon massan ja sen etäisyyden Maasta suuremmalla tarkkuudella [5].

Yksi julkaisun kirjoittjista, Vladimir Karas Tšekin tasavallassa sijaitsevasta Prahan tiedeakatemiasta on innoissaan tulevaisuudesta: "Tämä avaa väylän lisäteorioille ja -kokeille tällä tieteen alueella."

Tämä analyysi on johdanto kaikkialta maailmasta tulevien tähtitieteilijöiden Linnunradan keskustasta tekemien havaintojen jännittävälle ajanjaksolle. Vuoden 2018 aikana tähti S2 ohittaa supermassiivisen mustan aukon hyvin läheltä. Tällä kertaa Saksan Garchingissa sijaitsevan tutkimuslaitoksen Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik [6] johtaman suuren kansainvälisen konsortion kehittämä ja VLT-teleskoopin interferometriin [7] liitetty GRAVITY-havaintolaite on käytettävissä auttamaan kiertoradan mittaamisessa paljon tällä hetkellä mahdollista tarkemmin. Jo nyt tarkkoja mittauksia Linnunradan keskustasta tekevän GRAVITY:n ei vain odoteta paljastavan suhteellisuusteoreettiset ilmiöt hyvin selvästi, mutta sen ansiosta tähtitieteilijät voivat myös seurata uuden fysiikan mahdollisesti paljastavia poikkeamia suhteellisuusteoriasta.

Lisähuomioita:

[1] Nyt VLT-teleskoopin yksikköteleskooppi 1:ssä (Antu) olevan NACO -lähi-infrapunakameran ja yksikköteleskooppi 4:n (Yepun) SINFONI -lähi-infrapunakuvantamisspektrometrin havaintoaineistoja käytettiin tässä tutkimuksessa. Myös joitakin Keck-observatorion julkaisemia lisähavaintoaineistoja käytettiin.

[2] S2 on 15 Auringon massainen tähti supermassiivista mustaa aukkoa kiertävällä ellipsin muotoisella radalla. Sen kiertoaika on noin 15.6 vuotta ja se tulee lähimmillään 17 valotunnin etäisyydelle mustasta aukosta. Tämä vastaa 120 kertaa Maan etäisyyttä Auringosta.

[3] Samanlainen, mutta paljon pienempi, ilmiö nähdään aurinkokunnan planeetta Merkuriuksen kiertoradan muutoksessa. Kyseinen mittaus oli yksi parhaita varhaisia 1800-luvun lopun todisteita, joka antoi ymmärtää, että Newtonin käsitys painovoimasta ei ollut koko tarina ja että uusi lähestymistapa ja uusia ideoita tarvittiin ymmärtämään painovoima voimakkaan kentän tapauksessa. Tämä johti lopulta Einsteinin julkaisemaan vuonna 1915 yleisen suhteellisuusteoriansa, joka perustuu kaarevaan aika-avaruuteen.

Kun tähtien tai planeettojen ratoja lasketaan käyttäen yleistä suhteellisuusteoriaa, Newtonin painovoimateorian sijasta, ne etenevät eri tavalla. Kiertoratojen muotojen ja asentojen pienten muutosten muutokset eroavat näiden kahden teorian välillä ja niitä voidaan verrata havaintoihin testaamaan yleisen suhteellisuusteorian paikkansapitävyyttä.

[4] Adaptiivisen optiikan järjestelmä korjaa pyörteisen ilmakehän aiheuttamia kuvan vääristymiä reaaliaikaisesti ja sen ansiosta teleskooppia voidaan käyttää paljon suuremmalla kulmaerotuskyvyllä (kuvan terävyydellä), jota rajoittaa periaatteessa vain peilin läpimitta ja havaittavan valon aallonpituus.

[5] Tutkimusryhmä määritti mustan aukon massaksi 4.2 × 106 Auringon massaa ja etäisyydeksi meistä 8.2 kiloparsekia, joka vastaa lähes 27 000 valovuotta.

[6] Kölnin yliopisto on osa GRAVITY-ryhmää (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity) ja toimitti järjestelmään valonsäteet yhdistävät spektrometrit.

[7] GRAVITY:n ensivalo oli varhain vuonna 2016 ja se havaitsee jo nyt http://www.eso.org/public/finland/news/eso1622/ Linnunradan keskustaa.

Lisätietoja:

Tätä tutkimusta on esitelty tutkimusjulkaisussa "Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center”, jonka kirjoittivat M. Parsa et al. Julkaisu ilmestyy julkaisusarjassa Astrophysical Journal.

Tutkimusryhmään kuuluvat Marzieh Parsa, Andreas Eckart (Kölnin yliopiston I.Physikalisches Institut, Saksa; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Saksa), Banafsheh Shahzamanian (Kölnin yliopiston I.Physikalisches Institut, Saksa), Christian Straubmeier (Kölnin yliopiston I.Physikalisches Institut, Saksa), Vladimir Karas (Astronomical Institute, Academy of Science, Praha, Tšekin tasavalta), Michal Zajacek (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Saksa; Kölnin yliopiston I.Physikalisches Institut, Saksa) ja J. Anton Zensus (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Saksa).

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 16 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Brasilia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Puola, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla Very Large Telescope (VLT), maailman kehittynein näkyvää valoa havainnoiva tähtitieteellinen observatorio, ja kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja on maailman suurin kartoitusteleskooppi. VLT Survey Telescope on suurin vartavasten taivaan näkyvän valon kartoitukseen suunniteltu teleskooppi. ESO on yksi maailman suurimman tähtitieteellisen projektin, ALMA-teleskoopin pääyhteistyökumppaneista. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista ELT -teleskooppia (Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu julkaisusarjassa Astrophysical Journal
• Varhaisempia VLT-havaintoja Linnunradan keskustasta (eso0846, eso1151, eso1332 ja eso1512)
• MPE:n WWW-sivut Linnunradan keskustasta
• Valokuvia VLT-teleskoopista

Yhteystiedot

Rami Rekola
ESO:n tiedeviestintäverkoston Suomen edustaja
Tuorlan observatorio
Sähköposti: rareko@utu.fi

Marzieh Parsa
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Germany
Puhelin: +49(0)221/470-3495
Sähköposti: parsa@ph1.uni-koeln.de

Andreas Eckart
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Germany
Puhelin: +49(0)221/470-3546
Sähköposti: eckart@ph1.uni-koeln.de

Vladimir Karas
Astronomical Institute, Academy of Science
Prague, Czechia
Puhelin: +420-226 258 420
Sähköposti: vladimir.karas@cuni.cz

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puhelin: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: rhook@eso.org