Efekty relatywistyczne w gwiazdach w pobliżu supermasywnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej

Najnowsze badania prowadzone za pomocą Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) oraz innych teleskopów wskazują, że orbity gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej wykazują delikatne efekty przewidziane przez ogólną teorię względności Einsteina. Orbita gwiazdy S2 charakteryzuje się lekkimi odchyleniami od toru obliczonego przy zastosowaniu praw fizyki klasycznej. Te interesujące wyniki są wstępem do znacznie bardziej precyzyjnych pomiarów i testów ogólnej teorii względności, które zostaną wykonane za pomocą instrumentu GRAVITY, gdy gwiazda S2 przejdzie bardzo blisko czarnej dziury w 2018 roku.

W centrum Drogi Mlecznej, w odległości 26 000 lat świetlnych od Ziemi, znajduje się najbliższa supermasywna czarna dziura, o masie czterech milionów mas Słońca. Obiekt ten jest otoczony przez niewielką grupę gwiazd krążących z dużą prędkością po orbitach w silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury. Jest to idealne środowisko do testowania fizyki grawitacyjnej, a w szczególności ogólnej teorii względności Einsteina.

Zespół niemieckich i czeskich astronomów zastosował nowe techniki analizy do istniejących obserwacji gwiazd krążących wokół czarnej dziury, zbieranych za pomocą VLT w Chile i innych instrumentów przez ostatnie dwadzieścia lat. Naukowcy porównali zmierzone orbity gwiazd z przewidywaniami na bazie klasycznej grawitacji newtonowskiej oraz stosując przewidywania ogólnej teorii względności.

Udało się znaleźć dowody na niewielkie zmiany ruchu jednej z gwiazd, znanej jako S2, które są zgodne z przewidywaniami teorii względności. Zmiana na skutek efektów relatywistycznych jest na poziomie zaledwie kilku procent w kształcie orbity, a także około jednej szóstej stopnia w orientacji orbity. Jeśli zostaną one potwierdzone, będzie to oznaczało, że po raz pierwszy w historii udało się zmierzyć wpływ efektów relatywistycznych na orbity gwiazd krążących wokół supermasywnej czarnej dziury.

Marzieh Parsa, doktorantka na Uniwersytecie w Kolonii (Niemcy) i główna autorka publikacji powiedziała: „Centrum Galaktyki jest naprawdę najlepszym laboratorium do badania ruchu gwiazd w środowisku relatywistycznym. Byłam zdumiona jak dobrze możemy zastosować metody opracowane przy symulacjach gwiazd do bardzo precyzyjnych danych opisujących szybko poruszające się, najbardziej wewnętrzne gwiazdy w pobliżu supermasywnej czarnej dziury.”

Duża dokładność pomiarów pozycyjnych była możliwa dzięki instrumentom optyki adaptacyjnej dla bliskiej podczerwieni pracujących na VLT.

„Podczas trwania naszych badań odkryliśmy, że w celu ustalenia efektów relatywistycznych dla S2 trzeba koniecznie precyzyjnie zbadać pełną orbitę” komentuje Andreas Eckart, kierownik zespołu badawczego z Uniwersytetu w Kolonii.

Oprócz bardziej precyzyjnych informacji o orbicie gwiazdy S2, nowe analizy pozwoliły także poznać z lepszą dokładnością masę czarnej dziury i jej odległość od Ziemi.

Współautor Vladimir Karas z Akademii Nauk w Pradze (Czechy) z ekscytacją patrzy w przyszłość: „Otwiera się nowa droga do tworzenia nowych teorii i eksperymentów w tym obszarze nauki.”

Opisane analizy stanową wstęp do pasjonującego okresu obserwacji centrum Galaktyki przez astronomów na całym świecie. W trakcie 2018 roku gwiazd S2 dokona bardzo bliskiego przejścia obok supermasywnej czarnej dziury. Tym razem instrument GRAVITY, opracowany przez wielkie międzynarodowe konsorcjum, którym kierował Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik w Garching (Niemcy), zainstalowany na interferometrze VLT będzie wspierał pomiary orbity na poziomie dokładniejszym niż jest to obecnie możliwe. Naukowcy spodziewają się, że nie tylko pokaże to efekty relatywistyczne, ale także pozwoli astronomom na zbadanie odchyleń od ogólnej teorii względności, które mogą prowadzić do nowej fizyki.

Źródło: ESO