Komunikat prasowy

Teleskopy ESO obserwują taniec gwiazdy wokół supermasywnej czarnej dziury, dowodzący, że Einstein miał rację

16 kwietnia 2020

Obserwacje wykonane należącym do ESO teleskopem VLT po raz pierwszy pokazały, że gwiazda krążąca po orbicie wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej porusza się tak jak przewiduje ogólna teoria względności Einsteina. Jej orbita rysuje kształt podobny do rozety, a nie do elipsy przewidywanej przez newtonowską teorię grawitacji. Wynik długich badań był możliwy dzięki rosnącej precyzji pomiarów przez blisko 30 lat, które pozwoliły naukowcom na wyjaśnianie zagadek potwora czającego się w sercu naszej galaktyki.

„Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że związane orbity jednego obiektu wokół drugiego nie są zamknięte, tak jak twierdzi grawitacja newtonowska, ale ulegają precesji do przodu w płaszczyźnie ruchu. Ten słynny efekt – po raz pierwszy zaobserwowany w przypadku orbity planety Merkury wokół Słońca – był pierwszym dowodem na korzyść ogólnej teorii względności. Sto lat później wykryliśmy ten sam efekt w ruchu gwiazdy wokół zwartego radioźródła Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej. Ten obserwacyjny przełom wzmacnia dowody na to, że Sagittarius A* musi być supermasywną czarną dziurą o masie 4 milionów mas Słońca” mówi Reinhard Genzel, dyrektor Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) w Garching (Niemcy), architekt 30-letniego programu, który doprowadził do uzyskania opisywanego wyniku.

26 000 lat świetlnych od Słońca znajduje się Sagittarius A* i gęsta gromada gwiazd wokół niego, dając nam unikalne laboratorium do testów fizyki w niedostępnych w inny sposób, ekstremalnych zakresach grawitacji. Jedna z gwiazd, S2, przemieszcza się w stronę supermasywnej czarnej dziury na odległość mniejszą nić 20 miliardów kilometrów (blisko 120 razy dystans pomiędzy Ziemią, a Słońcem), czyniąc ją jedną z najbliższych gwiazd wykrytych na orbicie wokół masywnego giganta. W najbliższym podejściu do czarnej dziury S2 leci przez kosmos z prędkością prawie trzech procent prędkości światła, pokonując całą orbitę raz na 16 lat. „Śledząc gwiazdę na jej orbicie przez ponad dwie i pół dekady, nasze wyjątkowe pomiary wyraźnie wykryły precesję Schwarzschilda w trajektorii ruchu S2 wokół obiektu Sagittarius A*” mówi Stefan Gillessen z MPE, który kierował analizą pomiarów opublikowaną dzisiaj w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.

Większość gwiazd i planet ma niekołowe orbity i z tego powody przemieszcza się bliżej i dalej od obiektu wokół którego krąży. Orbita S2 precesuje, co oznacza, że położenie jej najbliższego punktu względem supermasywnej czarnej dziury zmienia się za każdym okrążeniem, więc kolejna orbita jest obrócona względem poprzedniej, tworząc kształt rozety. Ogólna teoria względności daje dokładne przewidywania tego jak bardzo zmienia się orbita, a najnowsze pomiary z opisywanych badań dokładnie pasują do teorii. Efekt ten, znany jako precesja Schwarzschilda, nigdy wcześniej nie był obserwowany w przypadku gwiazdy poruszającej się wokół supermasywnej czarnej dziury.

Badania przy pomocy należącego do ESO teleskopu VLT pomagają także naukowcom dowiedzieć się więcej na temat bliskiego otoczenia supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. „Ponieważ pomiary S2 tak dobrze zgadzają się z ogólną teorią względności, możemy określić mocne ograniczenia dotyczące tego, jak dużo niewidocznego materiału, takiego jak ciemna materia lub potencjalne mniejsze czarne dziury, występują wokół Sagittarius A*. Budzi to wielkie zainteresowanie pod kątem zrozumienia formowania się i ewolucji supermasywnych czarnych dziur” tłumaczą Guy Perrin i Karine Perraut, francuscy naukowcy kierujący projektem.

Uzyskany rezultat jest kulminacją 27 lat obserwacji gwiazdy S2, wykonywanych przez większą część tego czasu armadą instrumentów na teleskopie VLT, znajdującym się na pustyni Atakama w Chile. Liczba punktów z danymi obserwacyjnymi wskazującymi pozycję i prędkość gwiazd potwierdza dokładność i precyzyjność nowych badań: zespół wykonał łącznie ponad 330 pomiarów, korzystając z instrumentów GRAVITY, SINFONI i NACO. Ponieważ gwieździe S2 pokonanie orbity wokół supermasywnej czarnej dziury zajmuje lata, kluczowe było śledzenie przez blisko trzy dekady, aby odkryć zawiłości jej ruchu orbitalnego.

Badania przeprowadził międzynarodowy zespół, którym kierował Frank Eisenhauer z MPE, ze współpracownikami z Francji, Portugalii, Niemiec i ESO. Naukowcy utworzyli projekt współpracy GRAVITY, nazwany od instrumentów, który opracowali dla interferometru VLT, łączący światło z czterech 8-metrowych teleskopów VLT w jeden superteleskop (o rozdzielczości odpowiadającej teleskopowi o średnicy 130 metrów). Ten sam zespół ogłosił w 2018 roku inny efekt przewidziany przez ogólną teorię względności: dostrzeżono, że światło od S2 jest rozciągnięte do dłuższych fal, gdy obiekt przechodzi blisko Sagittarius A*. „Nasz poprzedni wynik pokazał, że światło emitowane przez gwiazdę doświadcza ogólnej teorii względności. Teraz pokazaliśmy, że sama gwiazda również odczuwa efekty ogólnej teorii i względności” powiedział Paulo Garcia, badacz z portugalskiego Centre for Astrophysics and Gravitation, jeden z głównych naukowców projektu GRAVITY.

Badacze wierzą, że dzięki nadchodzącemu Ekstremalnie Wielkiemu Teleskopowi, budowanemu przez ESO, będą w stanie dostrzec znacznie słabsze gwiazdy krążące po orbitach jeszcze bliższych supermasywnej czarnej dziurze. „Jeśli będziemy mieli szczęści, być może zbadamy gwiazdy będące wystarczająco blisko, żeby odczuwały rotację (spin) czarnej dziury” mówi Andreas Eckart z Cologne University, inny z głównych naukowców projektu. Oznaczałoby to, że astronomowie będą w stanie zmierzyć dwie wielkości, spin i masę, które charakteryzują obiekt Sagittarius A* oraz zdefiniować przestrzeń i czas wokół niego. „To byłoby zupełnie innym poziomem przetestowania teorii względności” wskazał Eckart.

Więcej informacji

Wyniki badań opublikowano w artykule pt. “Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole” który ukaże się w Astronomy & Astrophysics (DOI: 10.1051/0004-6361/202037813).

Skład zespołu GRAVITY: R. Abuter (European Southern Observatory, Garching, Germany [ESO]), A. Amorim (Universidade de Lisboa - Faculdade de Ciências, Portugal and Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Portugal [CENTRA]), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany [MPE]), J.P. Berger (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France [IPAG] and ESO), H. Bonnet (ESO), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany [MPIA]), V. Cardoso (CENTRA and CERN, Genève, Switzerland), Y. Clénet (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris, Meudon, France [LESIA], P.T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, The Netherlands and MPE), J. Dexter (Department of Astrophysical & Planetary Sciences, JILA, Duane Physics Bldg.,University of Colorado, Boulder, USA and MPE), A. Eckart (1st Institute of Physics, University of Cologne, Germany [Cologne] and Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany), F. Eisenhauer (MPE), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Garcia (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal and CENTRA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE, Departments of Physics and Astronomy, Le Conte Hall, University of California, Berkeley, USA), S. Gillessen (MPE), M. Habibi (MPE), X. Haubois (European Southern Observatory, Santiago, Chile [ESO Chile]), T. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (Cologne), A. Jiménez-Rosales (MPE), L. Jochum (ESO Chile), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO Chile), P. Kervella (LESIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Nowak (Institute of Astronomy, Cambridge, UK and LESIA), T. Ott (MPE), T. Paumard (LESIA), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (ESO, MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), J. Shangguan (MPE), S. Scheithauer (MPIA), J. Stadler (MPE), O. Straub (MPE), C. Straubmeier (Cologne), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Waisberg (Department of Particle Physics & Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Israel and MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO), and S. Yazici (MPE, Cologne).

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Ma 16 krajów członkowskich: Austria, Belgia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Irlandia, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy, dodatkowo Chile jest kraje gospodarzem, a Australia (IA/FCUL) strategicznym partnerem. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się „największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa
• Zdjęcia VLT
• Strona internetowa MPE GRAVITY
• Dla naukowców: uzyskałeś ciekawe wyniki? Prześlij swoją publikację

Kontakt

Reinhard Genzel
Director, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 30000 3280
E-mail: genzel@mpe.mpg.de

Stefan Gillessen
Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 30000 3839
Tel. kom.: +49 176 99 66 41 39
E-mail: ste@mpe.mpg.de

Frank Eisenhauer
Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 30000 3563
Tel. kom.: +49 162 3105080
E-mail: eisenhau@mpe.mpg.de

Paulo Garcia
Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto and Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Portugal
Porto, Portugal
Tel. kom.: +351 963235785
E-mail: pgarcia@fe.up.pt

Karine Perraut
IPAG of Université Grenoble Alpes/CNRS
Grenoble, France
E-mail: karine.perraut@univ-grenoble-alpes.fr

Guy Perrin
LESIA – Observatoire de Paris - PSL
Meudon, France
E-mail: guy.perrin@observatoiredeparis.psl.eu

Andreas Eckart
1st Institute of Physics, University of Cologne
Cologne, Germany
Tel.: +49 221 470 3546
E-mail: eckart@ph1.uni-koeln.de

Bárbara Ferreira
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6670
Tel. kom.: +49 151 241 664 00
E-mail: pio@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych