Танець зірки навколо надмасивної чорної діри підтверджує теорію Ейнштейна

Спостереження, очолювані Інститутом фізики позаземної фізики ім. Макса Планка, вперше показали, що зірка, яка обертається навколо надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху, рухається так, як передбачила загальна теорія відносності Ейнштейна. Її орбіта має форму розетки, а не еліпса, як передбачено теорією тяжіння Ньютона.

Цей довгоочікуваний результат став можливим завдяки все більш точним вимірюванням телескопами Європейської південної обсерваторії протягом майже 30 років, які дозволили вченим розкрити таємниці бегемота, що ховається в серці нашої галактики, говориться в прес-релізі Інституту фізики позаземної фізики ім. Макса Планка, що в Німеччині.

«Загальна відносність Ейнштейна передбачає, що пов'язані орбіти одного об'єкта навколо іншого не замкнуті, як у ньютонівській гравітації, а здійснюють прецесію до площину руху. Цей відомий ефект - вперше помічений на орбіті планети Меркурій навколо Сонця - був першим свідченням на користь загальної відносності. Через сто років, зараз ми виявили такий самий ефект у русі зірки, що обертається по орбіті компактного радіо-джерела Стрілець А* в центрі Чумацького Шляху. Цей прорив підсилює в області спостережень докази того, що Стрілець А* повинен бути надмасивною чорною дірою в 4 мільйони разів більшою від масою від Сонця», - говорить Рейнхард Гензель, директор Інституту Планка та архітектор 30-річної програми, яка призвела до цього результату.

Розташований у 26 тисячах світлових років від Сонця, Стрілець А* та щільне скупчення зірок навколо нього забезпечують унікальну лабораторію для перевірки фізики в інакше неможливому для досліджень та екстремальному режимі гравітації. Одна з цих зірок, S2, рухається до надмасивної чорної діри на найближчу відстань менше 20 мільярдів кілометрів (у 120 разів більша відстань, ніж між Сонцем і Землею), що робить її однією з найближчих зірок, коли-небудь знайдених на орбіті навколо масивного гіганта. При найближчому зближенні із чорною дірою, S2 пролітає крізь космос зі швидкістю у три відсотки від швидкості світла, виконуючи оберт раз на 16 років. «Після більше, ніж двох з половиною десятиліть спостережень за зіркою на її орбіті, наші вишукані вимірювання надійно виявляють прецесію Шварцшильда для S2 на її шляху навколо Стрільця А*», - говорить Стефан Гіллессен з Інституту Макса Планка, який керував аналізом вимірювань, опублікованих 16 квітня в журналі «Astronomy & Astrophysics».

Більшість зірок і планет мають не кругову орбіту і тому рухаються ближче та далі від об'єкта, навколо якого вони обертаються. Орбіта S2 здійснює прецесію, тобто з кожним поворотом змінюється місцезнаходження її найближчої до чорної діри точки так, що наступна орбіта повернена у відношенні до попередньої, створюючи таким чином форму розетки. Загальна відносність дає точний прогноз того, наскільки зміниться її орбіта і останні вимірювання цього дослідження точно відповідають теорії. Цей ефект, відомий як прецесія Шварцшильда, ніколи раніше не вимірювався для зірки навколо надмасивної чорної діри.

Дослідження з Дуже великого телескопу Європейської південної обсерваторії також допомагає вченим дізнатися більше про околиці надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики. «Оскільки вимірювання S2 настільки добре відповідають Загальній відносності, ми можемо встановити жорсткі межі на те, скільки невидимого матеріалу, такого як розподілена темна матерія або можливі менші за розміром чорні діри, є навколо Стрільця А*. Це представляє великий інтерес для розуміння утворення та еволюції надмасивних чорних дір», - кажуть Гай Перрін та Карін Перро, провідні вчені проекту з Франції.

Цей результат є кульмінацією 27-х років спостережень за зіркою S2 з використанням, у найкращій проміжок цього часу, флоту інструментів Дуже великого телескопу Європейської південної обсерваторії, розташованому в пустелі Атакама в Чилі. Кількість точок даних, що відзначають положення та швидкість зірки, свідчить про ґрунтовність та точність нового дослідження: команда загалом здійснила понад 330 вимірювань, використовуючи інструменти GRAVITY, SINFONI та NACO. Оскільки S2 потрібні були роки, щоб здійснити оберт навколо надмасивної чорної діри, дуже важливо було прослідкувати за зіркою близько трьох десятиліть, щоб розгадати тонкощі її орбітального руху.

Дослідження проводилось міжнародною командою під керівництвом Френка Ейзенхауера з Інституту Макса Планка разом із колегами з Франції, Португалії, Німеччини та Європейської південної обсерваторії. Команда утворює співпрацю GRAVITY, названу так на честь інструменту, який вони розробили для інтерферометра Дуже великого телескопу (VLT), який поєднує світло всіх чотирьох 8-метрових телескопів VLT у супер-телескоп (з роздільною здатністю, еквівалентною роздільній здатності телескопа діаметром 130 метрів). Ця ж команда повідомила у 2018 році про інший ефект, передбачений загальною відносністю: вони побачили, що світло, отримане від S2, розтягується на більш довгі хвилі, коли зірка проходить близько до Стрільця А*. «Наш попередній результат показав, що світло, випромінюване зіркою, відчуває Загальну відносність. Тепер ми показали, що сама зірка відчуває ефект Загальної відносності», - каже Пауло Гарсія, науковий співробітник португальського Центру астрофізики та гравітації та один із провідних вчених проекту GRAVITY.

Команда Європейської південної обсерваторії вважає, що з появою Надзвичайно великого телескопу вони зможуть побачити набагато слабкіші зірки, що обертаються ще ближче до надмасивної чорної діри. «Якщо нам пощастить, ми можемо спіймати зірки, які знаходяться настільки близько, що дійсно відчувають обертання, спін чорної діри», - говорить Андреас Екарт з Кельнського університету, інший провідний вчений проекту. Це означало б, що астрономи зможуть виміряти дві величини, спін та масу, які характеризують Стрільця A*, та визначити простір і час навколо нього. «Це, знову ж, був би зовсім інший рівень випробування відносності», - каже Екарт.

Читайте ще цікаві новини про космос.