Dzięki obserwacjom, prowadzonym przy pomocy teleskopu VLT, naukowcom udało się przez wiele lat śledzić ruch gwiazdy krążącej blisko supermasywnej czarnej dziury. Okazuje się, że jej orbita ulega tzw. precesji Schwarzschilda, czyli jest zgodna z przewidywaniami ogólnej teorii względności, a nie grawitacji newtonowskiej. O wynikach poinformowało Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO).
Ogólna teoria względności przewiduje, że związana orbita jednego obiektu wokół drugiego nie będzie zamknięta, jak twierdzi teoria grawitacji Newtona. Taka orbita będzie ulegać przemieszczaniu – precesji do przodu w płaszczyźnie ruchu. Efekt ten po raz pierwszy był obserwowany w przypadku orbity Merkurego wokół Słońca i był bardzo wczesnym dowodem na poprawność teorii Einsteina. Obecnie naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali podobny efekt w przypadku orbity gwiazdy okrążającej supermasywną czarną dziurę.
W centrum Drogi Mlecznej znajduje się supermasywna czarna dziura – tak przypuszczają astronomowie. W miejscu, gdzie obserwowane jest radioźródło Sagittarius A*, odległe od nas o 26 tysięcy lat świetlnych. W pobliżu jest też gęsta gromada gwiazd, dostarczająca naukowcom świetne laboratorium do testowania w ekstremalnych warunkach różnych teorii grawitacji.
Symulacja pokazuje orbity gwiazd bardzo blisko supermasywnej czarnej dziury w sercu Drogi Mlecznej. Jedna z tych gwiazd, nazwana S2, krąży po orbicie z okresem 16 lat i przeszła bardzo blisko czarnej dziury w maju 2018 r. Źródło: ESO/L. Calçada/spaceengine.org
Gwiazda S2 popiera Einsteina
Wokół supermasywnej czarnej dziury krąży m.in. gwiazda, którą oznaczono jako S2. Jej orbita przebiega bardzo blisko czarnej dziury. Gwiazda zbliża się na dystans mniejszy niż 20 miliardów kilometrów (co odpowiada 120 jednostkom astronomicznym, czyli tylu odległościom Ziemia-Słońce). W swoim ruchu po orbicie gwiazda osiąga prędkość nawet 3 proc. prędkości światła.
W 2018 r. ogłoszono zaobserwowanie, iż światło od gwiazdy S2 jest rozciągnięte do dłuższych fal – to jeden z efektów, przewidywanych przez ogólną teorię względności. Teraz ten sam zespół naukowców udowodnił, że zachodzi też inny efekt przewidywany przez teorię Einsteina: tzw. precesja Schwarzschilda. Tym samym pokazano nie tylko, że światło od gwiazdy, ale i sama gwiazda, ulega efektom ogólnej teorii względności.
Stefan Gillessen z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) w Garching (Niemcy) podkreśla, że ponad dwie i pół dekady śledzenia gwiazdy na orbicie wokół czarnej dziury dało pomiary, wyraźnie wskazujące na występowanie precesji Schwarzschilda w trajektorii ruchu gwiazdy S2. Naukowiec kierował zespołem złożonym z badaczy z Francji, Portugalii, Niemiec i ESO. Wyniki prac opublikowano dzisiaj w „Astronomy & Astrophysics”.
Orbity gwiazd, czy planet, mają zazwyczaj kształt eliptyczny, a nie kołowy. Można więc w nich wskazać punkt, w którym obiekt jest najbliżej okrążanego ciała. Okazuje się, że w przypadku S2 położenie tego punktu względem supermasywnej czarnej dziury zmienia się za każdym okrążeniem, a każda kolejna orbita jest obrócona względem poprzedniej. Kolejne orbity rysują kształt rozety. Takie dokładnie zachowanie przewiduje ogólna teoria względności, a najnowsze pomiary dobrze pasują do tych przewidywań.
Do obserwacji naukowcy wykorzystywali przede wszystkim Bardzo Duży Teleskop (VLT) w Obserwatorium Paranal, które należy do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). Łącznie przez lata udało się wykonać 330 pomiarów, przy pomocy różnych instrumentów: GRAVITY, SINFONI i NACO, na teleskopie VLT. Od jednego z instrumentów nazwę wziął projekt, w którym skupieni są badacze (GRAVITY) – naukowcy go skonstruowali.
Dodatkowe wnioski
Wynik nie tylko potwierdza ogólną teorię względności, ale jest także argumentem za tym, że w centrum Drogi Mlecznej faktycznie znajduje się supermasywna czarna dziura. Można też dzięki niemu uzyskać ograniczenia na ilość niewidocznej materii w pobliżu czarnej dziury. Taką materią może być ciemna materia lub potencjalne mniejsze czarne dziury.
Budowany obecnie Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), a także inne gigantyczne teleskopy, będące w budowie, być może pozwolą za kilka lat dostrzec znacznie słabsze gwiazdy, które krążą jeszcze bliżej czarnej dziury. Kto wie, może na tyle blisko, że będą odczuwały rotację (spin) czarnej dziury.
Więcej informacji:
- Teleskopy ESO obserwują taniec gwiazdy wokół supermasywnej czarnej dziury, dowodzący, że Einstein miał rację
- Publikacja naukowa
- Astronarium nr 44 o ogólnej teorii względności
Opracowanie: Krzysztof Czart
Źródło: ESO
Ilustracja u góry:
Artystyczna ilustracja zmian orbity gwiazdy S2 wokół supermasywnej czarnej dziury na skutek precesji Schwarzschilda. Efekt na ilustracji jest przesadzony. Źródło: ESO/L. Calçada.
