ann17051-is — Tilkynning

Vísbendingar um afstæðileg áhrif á sporbrautir stjarna við risasvartholið í miðju Vetrarbrautarinnar

9. ágúst 2017

Ný greining á gögnum Very Large Telescope ESO og fleiri sjónaukum bendir í fyrsta sinn til áhrifa sem almenna afstæðiskenning Einsteins spáir fyrir um á sporbraut stjörnu við risasvartholið í miðju Vetrarbrautarinnar. Merki eru um að sporbraut stjörnunnar S2 víki örlítið frá spám sígildrar þyngdarfræði Newtons. Niðurstöðurnar eru forsmekkurin að mun nákvæmari mælingum og prófunum á almennu afstæði sem gerðar verða með GRAVITY mælitækinu þegar stjarnan S2 fer næst svartholinu árið 2018.

Í miðju Vetrarbrautarinnar, í 26.000 ljósára fjarlægð frá Jörðinni, er nálægasta risasvartholið við Jörðina, fjórum milljón sinnum massameira en sólin. Í kringum risavartholið er hópur stjarna á fleygiferð vegna sterks þyngdarsviðs þess. Þetta er því kjörið umhverfi til að prófa þyngdarfræði, einkum og sér í lagi almennu afstæðiskenningu Einsteins.

Hópur þýskra og tékkneskra stjörnufræðinga hafa nú beitt nýrri greiningartækni á umfangsmikinn gagnagrunn frá Very Large Telescope (VLT) ESO í Chile og öðrum sjónaukum undanfarna tvo áratugi, um stjörnur á sveimi um svartholið [1]. Stjörnufræðingarnir báru saman mælingar á staðsetningu stjarnanna í kringum svrtholið við spár sígildrar þyngdarfræði Newtons og úteikninga almennu afstæðiskenningarinnar.

Merki um örlitlar breytingar fundust á hreyfingu einnar stjörnunnar, kölluð S2, sem koma heim og saman við spár almennu afstæðiskenningarinnar [2]. Breytingin sem hlýst af áhrifum almenns afstæðis er fáein prósent á lögun brautarinnar og aðeins einn sjötti úr gráðu á stefnu brautarinnar [3]. Verði þetta staðfest er þetta í fyrsta sinn sem mælingar á áhrifum almenns afstæðis hafa verið gerðar á stjörnum í kringum risasvarthol.

Marzieh Parsa, doktorsnemi við Kölnarháskóla í Þýskalandi og aðalhöfundur greinar um rannsóknina er hæstánægð: „Miðja Vetrarbrautarinnar er besta tilraunastofan sem við höfum til að rannsaka hreyfingu stjarna í afstæðilegu umhverfi. Það kom mér á óvart hversu vel við gátum beitt aðferðunum sem við þróuðum með líkönum af stjörnum og borið saman við nákvæm gögn af hreyfingum innstu stjarnanna nálægt risasvartholinu.“

Mikla nákæmni þurfit til að mæla staðsetningu stjarnanna og voru þær gerðar með nær-innrauðum aðlögunarsjóntækjum VLT [4]. Þær voru ekki aðeins nauðsynlegar þegar stjarnan fór næst svartholinu, heldur líka á þeim tíma þegar S2 var fjær svartholinu. Seinni mælingarnar gerðu stjörnufræðingunum kleift að ákvarða nákvæmlega lögun brautarinnar og hvernig hún breytist vegna afstæðilegra áhrifa.

„Við úrvinnsluna varð okkur ljóst að til að ákvarða afstæðileg áhrif á S2 var nauðsynlegt að þekkja alla braut stjörnunnar með mikilli nákvæmni,“ sagði Andreas Eckart við Kölnarháskóla sem hafði umsjón með rannsókninni.

Niðurstöðurnar gefa ekki aðeins betri upplýsingar um braut S2 heldur líka nákvæmari mynd af massa svartholsins og fjarlægð þess frá Jörðu [5].

Vladimir Karas við Vísindaakademíuna í Prag í Tékklandi, meðhöfundur greinarinnar, er spenntur fyrir framtíðinni: „Það er mjög hughreystandi að S2 sýni afstæðilegu áhrifin sem búist var við út frá nálægð hennar við það mikla efnismagn sem er nálægt miðju Vetrarbrautarinnar. Þetta opnar nýjar leiðir til að prófa fleiri kenningar og gera tilraunir á þessu sviði vísinda.“

Gagnaúrvinnslan er undanfari spennandi mælingatímabils sem senn fer í hönd hjá stjörnufræðingum um heim allan á miðju Vetrarbrautarinnar. Árið 2018 fer stjarnan S2 mjög nálægt risasvartholinu. Þá verður GRAVITYmælitækið, sem þróað var af stóru alþjóðlegu samstarfi undir forystu Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik í Garching í Þýskalandi [6] komið upp á VLT víxlmælinum [7] sem mun hjálpa stjörnufræðingum að mæla brautina með meiri nákvæmni en nú er hægt. Ekki aðeins er talið að þetta muni leiða vel í ljós áhrif almenns afstæðis heldur líka gera stjörnufræðingum kleift að greina frávik frá almennu afstæði sem hæti leitt í ljós nýja eðlisfræði.

Skýringar

[1] Gögn frá nær-innrauðu myndavélinni NACO á VLT sjónauka 1 (Antu) og nær-innrauða litrófsmyndavélinni SINFONI á sjónauka 4 (Yepun) voru notuð í rannsókninni. Viðótargögn frá Keck sjónaukunum voru líka notuð.

[2] S2 er fimmtán sólmassa stjarna á sporöskjulaga braut um risasvartholið. Umferðartími hennar um svartholið er 15,6 ár og er stjarnan næst því í 17 ljósklukkustunda fjarlægð — 120 sinnum lengra í burtu en fjarlægð Jarðar frá sólu.

[3] Svipuð en minni áhrif sjást á breytilegri braut Merkúríusar um sólina okkar. Mælingar sem gerðar voru á plánetunni seint á nítjándu öld voru bestu sannanirnar fyrir því að þyngdarfræði Newtons segði ekki alla söguna og að nýja nálgun þyrfti til að skilja sporbrautir í sterku þyngdarsviði. Þetta leiddi til almennu afstæðiskenningar Einsteins um sveigt tímarúm árið 1915.

Þegar brautir stjarna eða plánetna eru reiknaðar með almennu afstæðiskenningunni fremur en þyngdarfræði Newtons þróast þær öðruvísi. Spár um litlar breytingar á lögun og stefnu brautanna með tíma eru mismunandi milli kenninganna tveggja og er hægt að bera þær saman við mælingar til að prófa sannleiksgildi almenns afstæðis.

[4] Aðlögunarsjóntæki draga úr áhrifum ókyrrðar í lofthjúpi Jarðar á mælingar í rauntíma og auka greinigæði sjónauka til mikilla muna. Greinigæðin takmarkast þá fræðilega séð aðeins af þvermáli spegilsins og bylgjulengd ljóssins sem notað er í mælingunum.

[5] Stjörnufræðingarnir komust að því að svartholið er 4,2 milljón sinnum massameira en sólin og í 8,2 kílóparseks fjarlægð frá Jörðinni sem samsvarar 27.000 ljósárum.

[6[ Kölnarháskóli er hluti af GRAVITY teyminu (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity) og lagði til lítrófsrita í kerfið.

[7] GRAVITY var tekið í notkun snemma árs 2016 og er þegar byrjað að rannsaka miðju Vetrarbrautarinnar.

Frekari upplýsingar

Skýrt var frá rannsókninni í greininni „Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center“, eftir M. Parsa o.fl., sem birtist í Astrophysical Journal.

Í rannsóknarteyminu eru Marzieh Parsa, Andreas Eckart (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Þýskalandi; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Þýskalandi), Banafsheh Shahzamanian (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Þýskalandi), Christian Straubmeier (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Þýskalandi), Vladimir Karas (Astronomical Institute, Academy of Science, Prag, Tékklandi), Michal Zajacek (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Þýskalandi; I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Þýskalandi) og J. Anton Zensus (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Þýskalandi).

ESO er fremsta fjölþjóðlega stjörnustöð Evrópu og lang öflugasta stjörnustöð heims. Hún nýtur stuðnings 16 landa: Austurríkis, Belgíu, Brasilíu, Tékklands, Danmörku, Finnlands, Frakklands, Þýskalands, Ítalíu, Hollands, Póllands, Portúgals, Spánar, Svíþjóðar, Sviss og Bretlands, auk gestaþjóðarinnar Chile. ESO heldur úti metnaðarfullum verkefnum sem miða að hönnun, smíði og starfsemi öflugra stjörnustöðva á jörðinni sem gera stjörnufræðingum kleift að gera mikilvægar uppgötvanir. ESO leikur líka lykilhlutverk í að efla og skipuleggja samstarf í stjarnvísindarannsóknum. ESO starfrækir þrjár stjörnuathugunarstöðvar í heimsflokki: La Silla, Paranal og Chajnantor. Á Paranalfjalli starfrækir ESO Very Large Telescope, fullkomnustu stjörnusjónauka heims sem notaðir eru til athugana á sýnilegu ljósi og tvo kortlagningarsjónauka. VISTA er stærsti kortlagningarsjónauki veraldar fyrir innrautt ljós og VLT Survey Telescope er stærsti sjónauki heims sem eingöngu er ætlað að kortleggja himinn í sýnilegu ljósi. ESO er stór þátttakandi í ALMA, stærsta stjarnvísindaverkefni heims. Á Cerro Armazones, skammt frá Paranal, er ESO að smíða 39 metra risasjónauka, Extremely Large Telescope eða ELT sem verður „stærsta auga jarðar“.

Tenglar

Tengiliðir

Sævar Helgi Bragason
Stjörnufræðivefurinn
Ísland
Sími: 8961984
E-mail: eson-iceland@eso.org

Um tilkynninguna

Auðkenni:ann17051

Myndir

Artist's impression of the orbits of stars close to the Galactic Centre
Artist's impression of the orbits of stars close to the Galactic Centre
texti aðeins á ensku
Artist's impression of the effect of general relativity on the orbit of the S2 star at the Galactic Centre
Artist's impression of the effect of general relativity on the orbit of the S2 star at the Galactic Centre
texti aðeins á ensku
Image of the Galactic Centre
Image of the Galactic Centre
texti aðeins á ensku

Myndskeið

ESOcast 121 Light: Star orbiting supermassive black hole suggests Einstein is right (4K UHD)
ESOcast 121 Light: Star orbiting supermassive black hole suggests Einstein is right (4K UHD)
texti aðeins á ensku
Orbits of three stars very close to the centre of the Milky Way
Orbits of three stars very close to the centre of the Milky Way
texti aðeins á ensku