Танец звезды вокруг сверхмассивной черной дыры подтверждает теорию Эйнштейна

Наблюдения, возглавляемые Институтом физики внеземной физики им. Макса Планка, впервые показали, что звезда, которая вращается вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, движется так, как предсказала общая теория относительности Эйнштейна. Ее орбита имеет форму розетки, а не эллипса, как предусмотрено теорией тяготения Ньютона.

Этот долгожданный результат стал возможным благодаря все более точным измерением телескопами Европейской южной обсерватории в течение почти 30 лет, которые позволили ученым раскрыть тайны бегемота, скрывающегося в сердце нашей галактики, говорится в пресс-релизе Института физики внеземной физики им. Макса Планка, Германия.

«Общая относительность Эйнштейна предполагает, что связанные орбиты одного объекта вокруг другого не замкнутые, как в ньютоновской гравитации, а осуществляют прецессию в плоскость движения. Этот известный эффект – впервые замеченный на орбите планеты Меркурий вокруг Солнца – был первым свидетельством в пользу общей относительности. Через сто лет, сейчас мы обнаружили такой же эффект в движении звезды, вращающейся по орбите компактного радио-источника Стрелец А* в центре Млечного Пути. Этот прорыв в области наблюдений усиливает доказательства того, что Стрелец А* должен быть сверхмассивной черной дырой в 4 миллиона раз больше массой от Солнца », - говорит Рейнхард Гензель, директор Института Планка и архитектор 30-летней программы, которая привела к этому результату.

Расположенный в 26 тысячах световых лет от Солнца, Стрелец А* и плотное скопление звезд вокруг него обеспечивают уникальную лабораторию для проверки физики в невозможном иначе для исследований и экстремальном режиме гравитации. Одна из этих звезд, S2, движется к сверхмассивной черной дыре на самое близкое расстояние меньше 20 миллиардов километров (в 120 раз больше расстояние, чем между Солнцем и Землей), что делает ее одной из ближайших звезд, когда-либо найденных на орбите вокруг массивного гиганта. При ближайшем сближении с черной дырой, S2 пролетает сквозь космос со скоростью в три процента от скорости света, выполняя оборот один раз в 16 лет. «После более чем двух с половиной десятилетий наблюдений за звездой на ее орбите, наши изысканные измерения надежно обнаруживают прецессию Шварцшильда для S2 на ее пути вокруг Стрельца А*», - говорит Стефан Гиллессен из Института Макса Планка, который руководил анализом измерений, опубликованных 16 апреля в журнале «Astronomy & Astrophysics».

Большинство звезд и планет имеют не круговую орбиту и потому движутся ближе и дальше от объекта, вокруг которого они вращаются. Орбита S2 осуществляет прецессию, то есть с каждым поворотом изменяется местонахождение ее ближайшей к черной дыры точки так, что следующая орбита повернута по отношению к предыдущей, создавая таким образом форму розетки. Общая относительность дает точный прогноз того, насколько изменится ее орбита и последние измерения этого исследования точно соответствуют теории. Этот эффект, известный как прецессия Шварцшильда, никогда ранее не измерялся для звезды вокруг сверхмассивной черной дыры.

Исследования с Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории также помогают ученым узнать больше об окружении сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. «Поскольку измерения S2 настолько хорошо соответствуют Общей относительности, мы можем установить жесткие границы на то, сколько невидимого материала, такого как распределенная темная материя или возможные меньшие по размеру черные дыры, есть вокруг Стрельца А*. Это представляет большой интерес для понимания образования и эволюции сверхмассивных черных дыр», - говорят Гай Перрин и Карин Перро, ведущие ученые проекта из Франции.

Этот результат является кульминацией 27-х лет наблюдений за звездой S2 с использованием, в лучший промежуток этого времени, флота инструментов Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории, расположенной в пустыне Атакама в Чили. Количество точек данных, которые отмечают положение и скорость звезды, свидетельствует о основательности и точности нового исследования: команда в целом провела более 330 измерений, используя инструменты GRAVITY, SINFONI и NACO. Поскольку S2 потребовались годы, чтобы осуществить оборот вокруг сверхмассивной черной дыры, очень важно проследить за звездой около трех десятилетий, чтобы разгадать тонкости ее орбитального движения.

Исследование проводилось международной командой под руководством Фрэнка Эйзенхауэра из Института Макса Планка вместе с коллегами из Франции, Португалии, Германии и Европейской южной обсерватории. Команда образует сотрудничество GRAVITY, названное так в честь инструмента, который они разработали для интерферометра Очень большого телескопа (VLT), который соединяет свет всех четырех 8-метровых телескопов VLT в супер-телескоп (с разрешением, эквивалентным разрешению телескопа диаметром 130 метров). Эта же команда сообщила в 2018 году о другом эффекте, предусмотренным общей относительностью: они увидели, что свет, полученный от S2, растягивается на более длинные волны, когда звезда проходит близко к Стрельцу А*. «Наш предыдущий результат показал, что свет, излучаемый звездой, ощущает Общую относительность. Теперь мы показали, что сама звезда ощущает эффект Общей относительности», - говорит Пауло Гарсия, научный сотрудник португальского Центра астрофизики и гравитации и один из ведущих ученых проекта GRAVITY.

Команда Европейской южной обсерватории считает, что с появлением Чрезвычайно большого телескопа они смогут увидеть звезды гораздо слабее, вращающиеся еще ближе к сверхмассивной черной дыры. «Если нам повезет, мы можем поймать звезды, которые находятся настолько близко, что действительно чувствуют вращение, спин черной дыры», - говорит Андреас Экарт из Кельнского университета, другой ведущий ученый проекта. Это означало бы, что астрономы смогут измерить две величины, спин и массу, характеризующие Стрельца A*, и определить место и время вокруг него. «Это, опять же, был бы совсем другой уровень испытания относительности», - говорит Экарт.

Читайте еще интересные новости о космосе.