Телескоп ESO видит звездные танцы вокруг сверхмассивной черной дыры, доказывает, что Эйнштейн прав

Наблюдения, сделанные с помощью «Очень большого телескопа» (VLT) ESO, впервые показали, что звезда, вращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного пути, движется так же, как и предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Его орбита имеет форму розетки, а не эллипса, как предсказывает теория тяготения Ньютона. Этот долгожданный результат стал возможным благодаря все более точным измерениям в течение почти 30 лет, которые позволили ученым раскрыть тайны бегемота, скрывающегося в центре нашей галактики.

«Общая теория относительности Эйнштейна» предсказывает, что связанные орбиты одного объекта вокруг другого не являются замкнутыми, как в ньютоновской гравитации, но прецессируют вперед в плоскости движения. Этот знаменитый эффект — впервые замеченный на орбите планеты Меркурий вокруг Солнца — было первым доказательством в пользу общей теории относительности. Спустя сто лет мы обнаружили тот же эффект в движении звезды, вращающейся вокруг компактного радиоисточника Стрельца А * в центре Млечного пути. Этот наблюдательный прорыв усиливает доказательства того, что Стрелец A * должен быть сверхмассивной черной дырой, в 4 миллиона раз превышающей массу Солнца », — говорит Рейнхард Гензел, директор Института внеземной физики им. Макса Планка (MPE) в Гархинге, Германия, и архитектор 30-летней давности. Программа, которая привела к этому результату.

Расположенный в 26 000 световых лет от Солнца, Стрелец A * и плотное скопление звезд вокруг него предоставляют уникальную лабораторию для проверки физики в неизведанном и экстремальном режиме гравитации. Одна из этих звезд, S2, движется в направлении сверхмассивной черной дыры на самое близкое расстояние менее 20 миллиардов километров (в сто двадцать раз больше расстояния между Солнцем и Землей), что делает ее одной из самых близких звезд, когда-либо найденных на орбите вокруг массивный гигант. При ближайшем приближении к черной дыре S2 движется в пространстве почти на три процента скорости света, совершая орбиту каждые 16 лет. «После двух с половиной десятилетий следования за звездой на ее орбите наши изысканные измерения позволяют надежно обнаружить прецессию Шварцшильда S2 на пути вокруг Стрельца А *»,Астрономия и Астрофизика .

Большинство звезд и планет имеют некруглую орбиту и поэтому перемещаются ближе и дальше от объекта, вокруг которого они вращаются. Орбита S2 прецессирует, что означает, что местоположение ее ближайшей точки к сверхмассивной черной дыре изменяется с каждым поворотом, так что следующая орбита поворачивается относительно предыдущей, создавая форму розетки. Общая теория относительности обеспечивает точный прогноз того, насколько ее орбита изменяется, и последние измерения, полученные в результате этого исследования, в точности соответствуют теории. Этот эффект, известный как прецессия Шварцшильда, никогда ранее не измерялся для звезды вокруг сверхмассивной черной дыры.

Исследование с VLT ESO также помогает ученым узнать больше о близости сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. «Поскольку измерения S2 так хорошо следуют общей теории относительности, мы можем установить строгие ограничения на то, сколько невидимого материала, такого как распределенная темная материя или возможные более мелкие черные дыры, присутствует вокруг Стрельца А *. Это представляет большой интерес для понимания формирования и Эволюция сверхмассивных черных дыр », — говорят Гай Перрен и Карин Перро, французские ведущие ученые проекта.

Этот результат является кульминацией 27-летних наблюдений звезды S2, использующих, в течение большей части этого времени, парк инструментов в VLT ESO, расположенном в пустыне Атакама в Чили. Количество точек данных, обозначающих положение и скорость звезды, свидетельствует о тщательности и точности нового исследования: команда провела в общей сложности более 330 измерений с использованием инструментов GRAVITY, SINFONI и NACO. Поскольку на орбиту сверхмассивной черной дыры S2 уходят годы, было очень важно следовать за звездой в течение почти трех десятилетий, чтобы разгадать тонкости ее орбитального движения.

Исследование было проведено международной командой во главе с Фрэнком Эйзенхауэром из MPE с сотрудниками из Франции, Португалии, Германии и ESO. Команда создает сотрудничество GRAVITY, названное в честь прибора, который они разработали для интерферометра VLT, который объединяет свет всех четырех 8-метровых телескопов VLT в супер-телескоп (с разрешением, эквивалентным разрешению телескопа диаметром 130 метров). ). [Та же команда сообщила в 2018 году] — еще один эффект, предсказанный Общей относительностью: они увидели, что свет, полученный от S2, растягивается до более длинных волн, когда звезда проходит вблизи Стрельца А *. «Наш предыдущий результат показал, что свет, излучаемый звездой, испытывает общую относительность. Теперь мы показали, что сама звезда ощущает эффекты общей относительности», — говорит Пауло Гарсия,

С приближением ESO к Предельно Большому Телескопу, команда считает, что они смогут увидеть намного более слабые звезды, вращающиеся даже ближе к сверхмассивной черной дыре. «Если нам повезет, мы можем запечатлеть звезды достаточно близко, чтобы они действительно чувствовали вращение, вращение черной дыры», — говорит Андреас Экарт из Кельнского университета, еще один из ведущих ученых проекта. Это означало бы, что астрономы смогут измерить две величины, спин и массу, которые характеризуют Стрельца А *, и определить пространство и время вокруг него. «Это снова был бы совершенно другой уровень тестирования относительности», — говорит Эккарт.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены ESO . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Впечатление художника о прецессии Шварцшильда; орбиты звезд вокруг черной дыры в сердце Млечного Пути; и больше изображений

---

Ссылка на журнал :

1. ГРАВИТАЦИЯ Сотрудничество. Обнаружение прецессии Шварцшильда на орбите звезды S2 вблизи массивной черной дыры центра Галактики . Астрономия и астрофизика , 2020 DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 202037813