Pressmeddelande

Einsteins teori står sig – unikt test nära supertungt svart hål

26 år av observationer av Vintergatans hjärta vid ESO når sin kulmen

26 juli 2018

Mätningar med ESO:s Very Large Telescope har för första gången avslöjat hur Einsteins allmänna relativitetsteori påverkar en stjärnas rörelser när den far genom det extrema gravitationsfältet nära det supermassiva svarta hålet i Vintergatans mitt. Detta efterlängtade resultat är kulmen av 26 år av observationer med ESO:s teleskop i Chile.

Svarta hålet i Vintergatans mitt ligger bakom tjocka moln av stoft och damm, 26 000 ljusår från jorden men närmare jorden än något annat svart hål i sitt slag. Det supermassiva svarta hålet, som har en massa på fyra miljoner gånger solens, omges av en liten grupp av stjärnor som kretsar kring den i hög fart. Denna extrema miljön, galaxens starkaste gravitationsfält, utgör den perfekta platsen för att utforska tyngdkraftens fysik, och i synnerhet tester av Einsteins allmänna relativitetsteori.

Astronomer har med nu hjälp av de utsökt känsliga instrument GRAVITY [1], SINFONI och NACO på ESO:s Very Large Telescope gjort observationer i infrarött ljus av en av dessa stjärnor, S2, som passerade mycket nära det svarta hålet under maj 2018. Som närmast låg stjärnan mindre än 20 miljarder kilometer från det svarta hålet och rörde sig snabbare än 25 miljoner kilometer i timmen – det är nästan tre procent av ljusets hastighet [2].

Forskarna observerade stjärnans läge på himlen och dess hastighet med hjälp av GRAVITY och SINFONI. Dessa mätningar kombinerade de sedan med tidigare mätningar av S2 med andra instrument, och jämförde vad som skulle väntas enligt olika gravitationsteorier. De kunde jämföra med Newtons gravitationsteori, den allmänna relativitetsteori samt andra gravitationsteorier. De nya observationerna skiljer sig tydligt från vad Newton skulle ha förutspått enligt hans teori. Däremot stämmer mätningarna väl överens med den allmänna relativitetsteorin.

De extremt precisa mätningarna gjordes av ett internationellt forskarlag som leds av Reinhard Genzel vid Max Planck-Institutet för utomjordisk fysik (MPE) i Garching, Tyskland, i samarbete med forskare runt om i världen, vid Parisobservatoriet–PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max Planck-institutet för astronomi, Kölns universitet, Portugals CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação samt ESO. De nya observationerna utgör kulmen av en 26 år lång observationskampanj inom vilken allt känsligare och noggrannare observationer av Vintergatans mitt har blivit möjligt tack vare ESO:s teleskop och instrument [3].

– Nu har vi för andra gången observerat när S2 passerar nära det svarta hålet i galaxens mitt. Men denna gång har vi tack vare förbättrade instrument kunnat studera stjärnan med en upplösning som saknar motstycke. Vi har under flera år förberett oss intensivt för den här händelsen, därför att vi ville maximalt utnyttja denna unika möjlighet för att kunna mäta upp den allmänna relativitetsteorins effekter, förklarar Reinhard Genzel.

De nya mätningarna visar tydligen ett fenomen som kallas gravitationell rödförskjutning. Ljus från stjärnan sträcks ut och får längre våglängd på grund av det svarta hålets kraftfulla gravitationsfält. Förskjutningen i våglängd som uppmätts i ljuset från S2 stämmer exakt överens med den som väntas enligt Einsteins allmänna relativitetsteori. Det är första gången som avvikelser från Newtons teori om gravitationen har uppmätts i en stjärnas rörelser runt ett supertungt svart hål.

Forskarlaget använde SINFONI för att mäta upp S2:s hastighet längs med siktlinjen mot jorden, och med instrumentet GRAVITY, som ingår i VLT-interferometern (VLTI) gjorde de utomordentligt precisa mätningar av S2:s läge på himlen för att kunna fastställa dess banas form. Bilderna som GRAVITY kan skapa är så skarpa att de kan avslöja förändringar i stjärnans position från natt till natt när den passerar det svarta hålet, trots avståndet på 26 000 ljusår.

Frank Eisenhauer (MPE) är vetenskaplig projektledare för GRAVITY och för spektrografen SINFONI.

– Våra första observationer av S2 med GRAVITY för ungefär två år sedan visade redan att här hade vi ett idealiskt svartahåls-laboratorium. Under den närgångna passagen kunde vi på de flesta av bilderna till och med upptäcka det svaga glödet från runt det svarta hålet. Därför kunde vi mycket noggrant följa stjärnan i dess bana, vilket till slut ledde till att vi kunde registrera den gravitationella rödförskjutningen i S2:s spektrum, berättar han.

Det har gått mer än ett hundra år sedan Einstein publicerade artikeln i vilken han lade fram ekvationerna som utgör den allmänna relativitetsteorin. Nu har han ännu en gång fått rätt, och i ett laboratorium som är långt mer extremt än han hade kunnat föreställa sig.

Françoise Delplancke, som leder avdelningen för systemteknik vid ESO, förklarar varför dessa observationer är viktiga.

– Här i solsystemet kan vi endast testa hur fysikens lagar fungerar nu, och under bara vissa omständigheter. Inom astronomin är det därför väldigt viktigt att även kontrollera att de här lagarna också gäller på platser där gravitationsfältet är långt starkare, säger hon.

Pågående observationer väntas snart kunna avslöja ytterligare ett relativistiskt fenomen, Schwarzschildprecessionen, en mindre rotation av stjärnans bana som bör ge sig till känna allt eftersom S2 rör sig bort från det svarta hålet.

Xavier Barcons är generaldirektör för ESO.

– ESO har under mer än ett kvartssekel arbetat med Reinhard Genzel, hans team och deras samarbetspartners i ESO:s medlemsländer. Det var en enorm utmaning att utveckla de unikt kraftfulla instrument som behövdes för att göra dessa mycket noggranna mätningar och att driftsätta dem vid VLT i Paranal. Upptäckten som meddelas idag är det spännande resultatet av ett partnerskap utöver det vanliga, säger han.

Noter

[1] GRAVITY utvecklades av ett samarbete mellan Max Planck-institutet för utomjordisk fysik (Tyskland), LESI vid Parisobservatoriet–PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot och IPAG vid Université Grenoble Alpes / CNRS (France), the Max Planck Institute for Astronomy (Germany), Kölns universitet (Tyskland), CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) och ESO.

[2] S2 behöver 16 år för att göra ett varv runt det svarta hålet. Den väldigt avlånga banan tar stjärnan som närmast bara 20 miljarder kilometer från svarta hålet. Det motsvarar 120 gånger avståndet mellan jorden och solen, eller fyra gånger avståndet mellan solen och Neptunus, och omkring 1500 gånger det svarta hålets Schwarzschildradie.

[3] Observationer av Vintergatans mitt måste göras vid längre våglängder, eftersom de moln av stoft och damm som ligger mellan jorden och galaxens centrum absorberar synligt ljus mycket starkt.

Mer information

Forskningsresultaten presenteras i en artikel med titel “Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole“ av GRAVITY-samarbetet, som publiceras i tidskriften Astronomy & Astrophysics den 26 juli 2018.

Forskarlaget som utgör GRAVITY-samarbetet består av R. Abuter (ESO, Garching, Tyskland), A. Amorim (Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal), N. Anugu (Universidade do Porto, Porto, Portugal), M. Bauböck (Max Planck-institutet för utomjordisk fysik, Garching, Tyskland [MPE]), M. Benisty (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Frankrike [IPAG]), J.P. Berger (IPAG; ESO, Garching, Tyskland), N. Blind (Observatoire de Genève, Université de Genève, Versoix, Switzerland), H. Bonnet (ESO, Garching, Tyskland), W. Brandner (Max Planck-institutet för astronomi, Heidelberg, Tyskland [MPIA]), A. Buron (MPE), C. Collin (LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Meudon, Frankrike [LESIA]), F. Chapron (LESIA), Y. Clénet (LESIA), V. Coudé du Foresto (LESIA), P. T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, The Netherlands; MPE), C. Deen (MPE), F. Delplancke-Ströbele (ESO, Garching, Tyskland), R. Dembet (ESO, Garching, Tyskland; LESIA), J. Dexter (MPE), G. Duvert (IPAG), A. Eckart (Kölns universitet, Köln, Tyskland; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Tyskland), F. Eisenhauer (MPE), G. Finger (ESO, Garching, Tyskland), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Fédou (LESIA), P. Garcia (Universidade do Porto, Porto, Portugal; Universidade de Lisboa, Portugal), R. Garcia Lopez (MPIA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE; University of California, Berkeley, California, USA), S. Gillessen (MPE), P. Gordo (Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugal), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), M. Haug (ESO, Garching, Tyskland), F. Haußmann (MPE), Th. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (Kölns universitet, Köln, Tyskland), Z. Hubert (LESIA; MPIA), N. Hubin (ESO, Garching, Tyskland), A. Jimenez Rosales (MPE), L. Jochum (ESO, Garching, Tyskland), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO, Santiago, Chile), S. Kellner (Max Planck-institutet för radioastronomi, Bonn, Tyskland), S. Kendrew (MPIA, ESA), P. Kervella (LESIA; MPIA), Y. Kok (MPE), M. Kulas (MPIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), B. Lazareff (IPAG), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Lippa (MPE), R. Lenzen (MPIA), A. Mérand (ESO, Garching, Tyskland), E. Müller (ESO, Garching, Tyskland; MPIA), U. Neumann (MPIA), T. Ott (MPE), L. Palanca (ESO, Santiago, Chile), T. Paumard (LESIA), L. Pasquini (ESO, Garching, Tyskland), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (MPE), P.M. Plewa (MPE), S. Rabien (MPE), A. Ramírez (ESO, Chile), J. Ramos (MPIA), C. Rau (MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), R.-R. Rohloff (MPIA), G. Rousset (LESIA), J. Sanchez-Bermudez (ESO, Santiago, Chile; MPIA), S. Scheithauer (MPIA), M. Schöller (ESO, Garching, Tyskland), N. Schuler (ESO, Santiago, Chile), J. Spyromilio (ESO, Garching, Tyskland), O. Straub (LESIA), C. Straubmeier (Kölns universitet, Köln, Tyskland), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), K.R.W. Tristram (ESO, Santiago, Chile), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Wank (Kölns universitet, Köln, Tyskland), I. Waisberg (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), M. Wiest (Kölns universitet, Köln, Tyskland), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Tyskland), S. Yazici (MPE; Kölns universitet, Köln, Tyskland), D. Ziegler (LESIA) och G. Zins (ESO, Santiago, Chile).

ESO är Europas främsta mellanstatliga samarbetsorgan för astronomisk forskning och med råge världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det har 15 medlemsländer: Belgien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Polen, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop. VISTA arbetar i infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop och VST (VLT Survey Telescope) är det största teleskopet som konstruerats enbart för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO är en huvudpartner i ALMA, världens hittills största astronomiska projekt. Och på Cerro Armazones, nära Paranal, bygger ESO det extremt stora 39-metersteleskopet för synligt och infrarött ljus, ELT. Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

Länkar

• Forskningsartikeln i Astronomy & Astrophysics
• Foton på VLT
• GRAVITY:s hemsida vid Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
• Pressmeddelande på engelska hos MPE
• Lyckade första observationer av Vintergatans centrum med GRAVITY

 

Kontakter

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

Frank Eisenhauer
GRAVITY Principal Investigator, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tel: +49 (89) 30 000 3563
E-post: eisenhau@mpe.mpg.de

Stefan Gillessen
Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 30000 3839
E-post: ste@mpe.mpg.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-post: pio@eso.org

Hannelore Hämmerle
Public Information Officer, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tel: +49 (89) 30 000 3980
E-post: hannelore.haemmerle@mpe.mpg.de

Johan Warell (press contact Sverige)
ESO Science Outreach Network
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
Email: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media

Detta är den översatta versionen av ESO:s pressmeddelande eso1825 som har tagits fram inom ESON, ett nätverk av medarbetare i ESO:s medlemsländer. ESON-representanterna fungerar som lokala kontaktpersoner för media i samband med ESO:s pressmeddelanden och andra händelser. ESON:s kontaktperson i Sverige är Johan Warell.