VLT obserwuje gwiazdę tańczącą wokół supermasywnej czarnej dziury. Kolejne potwierdzenie teorii względności

Obserwacje wykonane należącym do ESO teleskopem VLT po raz pierwszy pokazały, że gwiazda krążąca po orbicie wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej porusza się tak jak przewiduje ogólna teoria względności Einsteina. Jej orbita rysuje kształt podobny do rozety, a nie do elipsy przewidywanej przez newtonowską teorię grawitacji. Wynik długich badań był możliwy dzięki rosnącej precyzji pomiarów przez blisko 30 lat, które pozwoliły naukowcom na wyjaśnianie zagadek potwora czającego się w sercu naszej galaktyki.

„Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że związane orbity jednego obiektu wokół drugiego nie są zamknięte, tak jak twierdzi grawitacja newtonowska, ale ulegają precesji do przodu w płaszczyźnie ruchu. Ten słynny efekt – po raz pierwszy zaobserwowany w przypadku orbity planety Merkury wokół Słońca – był pierwszym dowodem na korzyść ogólnej teorii względności. Sto lat później wykryliśmy ten sam efekt w ruchu gwiazdy wokół zwartego radioźródła Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej. Ten obserwacyjny przełom wzmacnia dowody na to, że Sagittarius A* musi być supermasywną czarną dziurą o masie 4 milionów mas Słońca” mówi Reinhard Genzel, dyrektor Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) w Garching (Niemcy), architekt 30-letniego programu, który doprowadził do uzyskania opisywanego wyniku.

26 000 lat świetlnych od Słońca znajduje się supermasywna czarna dziura Sagittarius A* i otaczająca ją gęsta gromada gwiazd, które razem z nią stanowią wprost idealne laboratorium do testów procesów zachodzących w obliczu intensywnej grawitacji. Jedna z gwiazd, S2, przemieszcza się w stronę supermasywnej czarnej dziury na odległość mniejszą niż 20 miliardów kilometrów (120 razy większą od odległości pomiędzy Ziemią, a Słońcem), czyniąc ją jedną z najbliższych gwiazd wykrytych na orbicie wokół masywnego giganta. W momencie największego zbliżenia, gwiazda ta przemierza przestrzeń kosmiczną z prędkością prawie 3 procent prędkości światła. Pełne okrążenie wokół czarnej dziury zajmuje jej około 16 lat. 

„Śledząc tę gwiazdę przez ponad dwie i pół dekady, udało nam się wykryć wyraźną precesję Schwarzschilda trajektorii ruchu S2 wokół obiektu Sagittarius A*” mówi Stefan Gillessen z MPE, który kierował analizą pomiarów, której wyniki opublikowano dzisiaj w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.

Większość gwiazd i planet ma niekołowe orbity i z tego powodu to zbliża się to oddala od obiektu wokół którego krąży. Orbita S2 precesuje, co oznacza, że położenie jej najbliższego punktu względem supermasywnej czarnej dziury zmienia się za każdym okrążeniem, więc każda kolejna orbita jest obrócona względem poprzedniej, tworząc wraz z nimi kształt rozety. Ogólna teoria względności daje dokładne przewidywania tego jak bardzo zmienia się orbita, a najnowsze pomiary z opisywanych badań dokładnie pasują do teorii. Efekt ten, znany jako precesja Schwarzschilda, nigdy wcześniej nie był obserwowany w przypadku gwiazdy poruszającej się wokół supermasywnej czarnej dziury.

Badania przy pomocy należącego do ESO teleskopu VLT pomagają także naukowcom dowiedzieć się więcej na temat bliskiego otoczenia supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. „Ponieważ pomiary S2 tak dobrze zgadzają się z ogólną teorią względności, możemy określić mocne ograniczenia dotyczące tego, jak dużo niewidzialnego materiału, takiego jak ciemna materia lub potencjalne mniejsze czarne dziury, występują wokół Sagittarius A*. Budzi to wielkie zainteresowanie pod kątem zrozumienia formowania się i ewolucji supermasywnych czarnych dziur” tłumaczą Guy Perrin i Karine Perraut, francuscy naukowcy kierujący projektem.

Uzyskany rezultat jest kulminacją 27 lat obserwacji gwiazdy S2, wykonywanych przez większą część tego czasu armadą instrumentów na teleskopie VLT, znajdującym się na pustyni Atakama w Chile. Liczba punktów z danymi obserwacyjnymi wskazującymi pozycję i prędkość gwiazd potwierdza dokładność i precyzyjność nowych badań: zespół wykonał łącznie ponad 330 pomiarów, korzystając z instrumentów GRAVITY, SINFONI i NACO. Ponieważ gwieździe S2 pokonanie orbity wokół supermasywnej czarnej dziury zajmuje lata, kluczowe było śledzenie przez blisko trzy dekady, aby odkryć zawiłości jej ruchu orbitalnego.

Badania przeprowadził międzynarodowy zespół, którym kierował Frank Eisenhauer z MPE, ze współpracownikami z Francji, Portugalii, Niemiec i ESO. Naukowcy utworzyli projekt współpracy GRAVITY, nazwany od instrumentów, który opracowali dla interferometru VLT, łączący światło z czterech 8-metrowych teleskopów VLT w jeden superteleskop (o rozdzielczości odpowiadającej teleskopowi o średnicy 130 metrów). Ten sam zespół ogłosił w 2018 roku inny efekt przewidziany przez ogólną teorię względności: dostrzeżono, że światło od S2 jest rozciągnięte do dłuższych fal, gdy obiekt przechodzi blisko Sagittarius A*. „Nasz poprzedni wynik pokazał, że światło emitowane przez gwiazdę doświadcza ogólnej teorii względności. Teraz pokazaliśmy, że sama gwiazda również odczuwa efekty ogólnej teorii i względności” powiedział Paulo Garcia, badacz z portugalskiego Centre for Astrophysics and Gravitation, jeden z głównych naukowców projektu GRAVITY.

Badacze wierzą, że dzięki nadchodzącemu Ekstremalnie Wielkiemu Teleskopowi, budowanemu przez ESO, będą w stanie dostrzec znacznie słabsze gwiazdy krążące po orbitach jeszcze bliższych supermasywnej czarnej dziurze. „Jeśli będziemy mieli szczęści, być może zbadamy gwiazdy będące wystarczająco blisko, żeby odczuwały rotację (spin) czarnej dziury” mówi Andreas Eckart z Cologne University, inny z głównych naukowców projektu. Oznaczałoby to, że astronomowie będą w stanie zmierzyć dwie wielkości, spin i masę, które charakteryzują obiekt Sagittarius A* oraz zdefiniować przestrzeń i czas wokół niego. „To byłoby zupełnie innym poziomem przetestowania teorii względności” wskazał Eckart.