Pierwszy udany test Ogólnej Teorii Względności wokół supermasywnej czarnej dziury

Obserwacje wykonane za pomocą Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) po raz pierwszy pozwoliły na odkrycie efektów przewidywanych przez Ogólną Teorię Względności Einsteina w ruchu gwiazdy przelatującej przez ekstremalne pole grawitacyjne w pobliżu supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Ten długo oczekiwany wynik stanowi kulminację 26-letniej kampanii obserwacyjnej prowadzonej za pomocą teleskopów ESO w Chile.

Przesłonięta przez geste obłoki pochłaniającego promieniowanie pyłu, najbliższa nam supermasywna czarna dziura znajduje się 26 000 lat świetlnych od Ziemi w centrum Drogi Mlecznej. Ten grawitacyjny potwór o masie czterech milionów mas Słońca otoczony jest przez niewielką grupę gwiazd, krążących wokół niego z ogromnymi prędkościami. To ekstremalne środowisko – najsilniejsze pole grawitacyjne w naszej galaktyce – sprawia, że jest to idealne miejsce do badania grawitacji oraz do testowania ogólnej teorii względności.

Wizja artystyczna przedstawiająca trasę gwiazdy S2 podczas przelotu bardzo blisko supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej. Gdy zbliżała się ona do czarnej dziury bardzo silne pole grawitacyjne sprawiło, że barwa gwiazdy przesunęła się delikatnie ku czerwieni, co jest efektem przewidzianym przez ogólną teorię względności Einsteina.
Źródło: ESO/M. Kommesser

Nowe obserwacje w podczerwieni prowadzone za pomocą niewiarygodnie czułych instrumentów GRAVITY, SINFONI oraz NACO zainstalowanych na teleskopie VLT umożliwiły astronomom śledzenie jednej z tych gwiazd zwanej S2 podczas bardzo bliskiego przejścia w pobliżu czarnej dziury w maju 2018 roku. W najbliższym momencie gwiazda znalazła się mniej niż 20 miliardów kilometrów od czarnej dziury i poruszała się z prędkością przekraczającą 25 milionów kilometrów na godzinę – niemal trzy procent prędkości światła.

Zespół badaczy porównał pomiary położenia i prędkości uzyskane przez GRAVITY oraz SINFONI oraz wcześniejsze obserwacje S2 prowadzone za pomocą innych instrumentów z przewidywaniami newtonowskiej grawitacji, ogólnej teorii względności oraz innych teorii grawitacji. Nowe wyniki nie zgadzają się z przewidywaniami newtonowskimi i doskonale zgadzają się z przewidywaniami ogólnej teorii względności.

Diagram przedstawiający ruch gwiazdy S2 wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Diagram stworzono w oparciu o obserwacje prowadzone za pomocą teleskopów ESO na przestrzeni ponad 25 lat. Gwiazda okrąża czarną dziurę w czasie 16 lat. Źródło: ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

Te wyjątkowo precyzyjne pomiary zostały wykonane przez międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez Reinharda Genzela z Instytutu Maxa Plancka w Garching w Niemczech oraz jego współpracowników z całego świata. Obserwacje stanowią punkt kulminacyjny 26-letniej serii coraz to dokładniejszych obserwacji centrum Drogi Mlecznej za pomocą instrumentów ESO.

“To już drugi raz kiedy obserwowaliśmy bliskie przejście S2 w pobliżu czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Jednak tym razem, dzięki znacznie lepszym instrumentom, byliśmy w stanie obserwować gwiazdę z niespotykaną dotąd rozdzielczością” tłumaczy Genzel. “Przygotowaliśmy się do tych obserwacji przez kilka ostatnich lat, i chcieliśmy maksymalnie wykorzystać tę unikalną okazję do obserwowania grawitacyjnych efektów relatywistycznych”.

Symulacja orbit gwiazd krążących wokół supermasywnej czarnej dziury.
Źródło: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Nowe pomiary wyraźnie ukazały nam efekt zwany grawitacyjnym przesunięciem ku czerwieni. Światło gwiazdy zostało rozciągnięte do większych długości fali przez bardzo silne pole grawitacyjne czarnej dziury. Zmiana długości fali promieniowania emitowanego przez S2 precyzyjnie zgadza się z tą przewidywaną przez ogólną teorię względności Einsteina. To pierwszy raz kiedy udało nam się zaobserwować to odchylenie od przewidywań prostszej teorii grawitacji zaproponowanej przez Newtona w ruchu gwiazdy w pobliżu supermasywnej czarnej dziury.

Diagram przedstawiający ruch gwiazdy S2 w trakcie przelotu w pobliżu supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej.
Źródło: ESO/MPE/GRAVITY

Zespół wykorzystał instrument SINFONI do pomiarów prędkości gwiazdy S2 w kierunku do/od Ziemi oraz instrument GRAVITY w interferometrze VLTI do wykonania ekstremalnie precyzyjnych pomiarów zmieniającego się położenia S2 w celu określenia kształtu jej orbity. GRAVITY jest w stanie tworzyć tak wyraźne zdjęcia, że może dostrzec ruch gwiazdy z nocy na noc kiedy porusza się ona w pobliżu czarnej dziury znajdującej się 26 000 lat świetlnych od Ziemi.

“Nasze pierwsze obserwacje S2 za pomocą GRAVITY wykonane dwa lata temu wskazywały już, że mamy do czynienia z idealnym laboratorium z czarną dziurą” dodaje Frank Eisenauer (MPE), główny badacz GRAVITY oraz spektrografu SINFONI. “W trakcie bliskiego przelotu, mogliśmy nawet wykryć słabą poświatę wokół czarnej dziury na większości zdjęć, co pozwoliło nam precyzyjnie śledzić ruch gwiazdy po orbicie, a tym samym odkryć grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni w widmie S2”.

Ponad sto lat po pierwszej publikacji artykułu z równaniami ogólnej teorii względności, teoria Einsteina po raz kolejny została potwierdzona – w dużo bardziej wyjątkowym laboratorium niż to było wcześniej można sobie wyobrazić!

Naukowcy mają nadzieję, że trwające obserwacje odkryją wkrótce kolejny efekt relatywistyczny – niewielką rotację orbity gwiazdy – tzw. precesję Schwarzschilda – gdy S2 będzie oddalała się od czarnej dziury.

Źródło: ESO