Astronomowie dokonali najdokładniejszych jak dotąd pomiarów ruchu gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Wyniki te pokazują, że 99,9% masy zawartej w centrum Galaktyki stanowi czarna dziura, a za pozostałą 0,1% mogą odpowiadać gwiazdy, mniejsze czarne dziury, pył i gaz międzygwiazdowy lub ciemna materia.
Naukowcy zmierzyli dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej położenie i prędkość czterech gwiazd znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie supermasywnej czarnej dziury, która czai się w centrum Drogi Mlecznej, znanej jako Sagittarius A* (Sgr A*). Odkryto, że gwiazdy te – nazwane S2, S29, S38 i S55 – poruszają się w sposób, który pokazuje, że masa w centrum Drogi Mlecznej prawie w całości należy do czarnej dziury Sgr A*, pozostawiając bardzo mało miejsca na cokolwiek innego.
Zespół wykorzystał w tych badaniach szereg najnowocześniejszych urządzeń astronomicznych. Do pomiaru ruchu gwiazd użyto spektroskopii z Gemini Near Infrared Spectrograph (GNIRS) na Gemini North niedaleko szczytu Maunakea na Hawajach, oraz instrumentu SINFONI na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT). Pozycje gwiazd zostały zmierzone przy pomocy instrumentu GRAVITY na Interferometrze Bardzo Dużego Teleskopu (VLTI).
Galaktyczne centrum Drogi Mlecznej, znajdujące się około 27 000 lat świetlnych od Słońca, zawiera zwarte źródło radiowe Sgr A*, które astronomowie zidentyfikowali jako supermasywną czarną dziurę o masie 4,3 mln razy większej od Słońca. Pomimo dziesięcioleci żmudnych obserwacji – oraz Nagrody Nobla przyznanej za odkrycie tożsamości Sgr A* - trudno było ostatecznie udowodnić, że większość tej masy należy jedynie do supermasywnej czarnej dziury i nie zawiera ona ogromnej ilości materii, takiej jak gwiazdy, mniejsze czarne dziury, pył i gaz międzygwiazdowy czy ciemna materia.
Po przyznaniu w 2020 roku Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za potwierdzenie, że Sgr A* jest rzeczywiście czarną dziurą, chcemy teraz pójść dalej. Chcielibyśmy zrozumieć, czy w centrum Drogi Mlecznej kryje się coś jeszcze i czy ogólna teoria względności jest rzeczywiście poprawną teorią grawitacji w tym ekstremalnym laboratorium, wyjaśnia Stefan Gillessen, jeden z astronomów zaangażowanych w tę pracę. Najprostszym sposobem na odpowiedź na to pytanie jest dokładne śledzenie orbit gwiazd przechodzących w pobliżu Sgr A*.
Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że orbity gwiazd wokół supermasywnego zwartego obiektu różnią się subtelnie od tych przewidywanych przez klasyczną fizykę newtonowską. W szczególności, ogólna teoria względności przewiduje, że orbity gwiazd wykreślają elegancki kształt rozety – efekt znany jako precesja Schwarzschilda. Aby faktycznie zobaczyć gwiazdy wyznaczające tę rozetę, zespół badawczy śledził położenie i prędkość czterech gwiazd w bezpośrednim sąsiedztwie Sgr A* – nazwanych S2, S29, S38 i S55. Obserwacje stopnia precesji dla tych gwiazd pozwoliły zespołowi wnioskować o rozkładzie masy wewnątrz Sgr A*. Odkryli, że jakakolwiek rozszerzona masa w obrębie gwiazdy S2 wnosi co najwyżej równowartość 0,1% masy supermasywnej czarnej dziury.
Pomiar drobnych zmian w orbitach odległych gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury w naszej Galaktyce jest niewiarygodnym wyzwaniem. Aby dokonać kolejnych odkryć, astronomowie będą musieli przesunąć granice nie tylko nauki, ale również inżynierii. Nadchodzący Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), wraz z Gigantycznym Teleskopem Magellana (GMT) czy Thirty Meter Telescope (TMT), pozwoli astronomom na jeszcze dokładniejsze pomiary nawet słabszych gwiazd.
Więcej informacji:
- Precise Insights into the Supermassive Black Hole in the Milky Way’s Heart
- Deep Images of the Galactic Center with GRAVITY
- The mass distribution in the Galactic Centre from interferometric astrometry of multiple stellar orbits
- Zobacz jak gwiazdy poruszają się wokół supermasywnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej – najdokładniejsze zdjęcia w historii
Źródło: Gemini Observatory
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Centrum Drogi Mlecznej, gdzie widać gwiazdy znajdujące się na bliskiej orbicie wokół supermasywnej czarnej dziury, znanej jako Sgr A*. Źródło: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/(Spaceengine). Podziękowania: M. Zamani (NSF's NOIRLab).
