Ogłoszenie

Wskazówka dotycząca efektów relatywistycznych w gwiazdach krążących wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Galaktyki

9 sierpnia 2017

Nowe analizy danych z Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), który należy do ESO, a także z innych teleskopów, sugerują, że orbity gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej wykazują subtelne efekty przewidziane przez ogólną teorię względności Einsteina. Istnieją wskazówki, że orbita gwiazdy S2 ma lekkie odchyłki od toru obliczonego przy zastosowaniu fizyki klasycznej. Ten interesujący wynik jest wstępem do znacznie bardziej precyzyjnych pomiarów i testów ogólnej teorii względności, które zostaną wykonane przy pomocy instrumentu GRAVITY, gdy gwiazd S2 przejdzie bardzo blisko czarnej dziury w 2018 roku.

W centrum Drogi Mlecznej, w odległości 26 000 lat świetlnych od Ziemi, znajduje się najbliższa supermasywna czarna dziura, o masie cztery miliony razy większej niż masa Słońca. To „monstrum” jest otoczone przez małą grupę gwiazd krążących z dużą prędkością po orbitach w silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury. Jest to idealne środowisko do testowania fizyki grawitacyjnej, a w szczególności ogólnej teorii względności Einsteina.

Zespół niemieckich i czeskich astronomów zastosował nowe techniki analizy do istniejących obserwacji gwiazd krążących wokół czarnej dziury, zbieranych dzięki teleskopowi VLT w Chile i innym instrumentom przez ostatnie dwadzieścia lat [1]. Naukowcy porównali zmierzone orbity gwiazd z przewidywaniami na bazie klasycznej grawitacji newtonowskiej oraz stosując przewidywania ogólnej teorii względności.

Udało się znaleźć sugestie niewielkich zmian w ruchu jednej z gwiazd, znanej jako S2, które są zgodne z przewidywaniami teorii względności [2]. Zmiana na skutek efektów relatywistycznych jest na poziomie zaledwie kilku procent w kształcie orbity, a także około jednej szóstej stopnia w orientacji orbity [3]. Jeśli zostanie to potwierdzone, oznaczać będzie, że po raz pierwszy wpływ efektów relatywistycznych udało się zmierzyć dla gwiazd krążących wokół supermasywnej czarnej dziury.

Marzieh Parsa, doktorantka na Uniwersytecie w Kolonii (Niemcy) i pierwsza autorka publikacji, jest zachwycona: „Centrum Galaktyki jest naprawdę najlepszym laboratorium do badania ruchu gwiazd w środowisku relatywistycznym. Byłam zdumiona jak dobrze możemy zastosować metody opracowane przy symulacjach gwiazd do bardzo precyzyjnych danych dotyczących szybko się poruszających, najbardziej wewnętrznych gwiazd w pobliżu supermasywnej czarnej dziury.”

Duża dokładność pomiarów pozycyjnych była możliwa dzięki instrumentom optyki adaptacyjnej dla bliskiej podczerwieni pracujących na VLT. Było to kluczowe dla badań [4]. Było też istotne nie tylko podczas bliskiego przejścia gwiazdy koło czarnej dziury, ale szczególnie w okresie gdy S2 znajdowała się dalej. W tym drugim przypadku dane pozwoliły na dokładne ustalenie kształtu orbity.

„Podczas trwania naszych analiz odkryliśmy, że ustalenie efektów relatywistycznych dla S2 trzeba koniecznie znać pełną orbitę z dużą precyzją” komentuje Andreas Eckart, kierownik zespołu badawczego z Uniwersytetu w Kolonii.

Oprócz bardziej precyzyjnych informacji o orbicie gwiazdy S2, nowe analizy pozwoliły także poznać z lepszą dokładnością masę czarnej dziury i jej odległość od Ziemi [5].

Współautor Vladimir Karas z Akademii Nauk w Pradze (Czechy) niecierpliwie oczekuje przyszłości: „Otwiera się nowa droga do kolejnych teorii i eksperymentów w tym obszarze nauki.”

Opisane analizy stanową wstęp do pasjonującego okresu obserwacji centrum Galaktyki przez astronomów na całym świecie. W trakcie 2018 roku gwiazd S2 dokona bardzo bliskiego przejścia obok supermasywnej czarnej dziury. Tym razem instrument GRAVITY, opracowany przez wielkie międzynarodowe konsorcjum, którym kierował Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik w Garching (Niemcy) [6], zainstalowany na interferometrze VLT [7], będzie dostępy do pomocy w pomiarach orbity jeszcze precyzyjniej niż jest to obecnie możliwe. Naukowcy spodziewają się, że nie tylko pokaże to efekty relatywistyczne, ale także pozwoli astronomom na zbadanie odchyłek od ogólnej teorii względności, które mogą prowadzić do nowej fizyki.

Uwagi

[1] W badaniach użyto także danych z kamery bliskiej podczerwieni NACO pracującej na Teleskopie Głównym nr 1 (Antu) i spektrometru obrazującego w bliskiej podczerwieni SINFONI zamontowanego na Teleskopie Głównym nr 4 (Yepun). Skorzystano także z dodatkowych opublikowanych danych, zebranych w Keck Observatory.

[2] S2 jest gwiazdą o masie 15 mas Słońca, na eliptycznej orbicie wokół supermasywnej czarnej dziury. Ma okres około 15,6 lat i zbliża się na 17 godzin świetlnych do czarnej dziury – czyli zaledwie 120 razy dalej niż dystans Ziemia-Słońce.

[3] Podobny, ale znacznie mniejszy efekt jest widoczny w zmianach orbity planety Merkury  w Układzie Słonecznym. Pomiar ten był jednym z najlepszych wczesnych dowodów pod koniec XIX wieku sugerujących, że newtonowska teoria grawitacji nie opisuje całości i że potrzebne jest nowe podejście i nowe zrozumienie grawitacji w przypadku silnych pól grawitacyjnych. Doprowadziło to do opublikowania przez Einsteina w 1915 roku ogólnej teorii względności, opierającej się na zakrzywieniu czasoprzestrzeni.

Gdy orbity gwiazd lub planet są obliczane z użyciem ogólnej teorii względności, zamiast grawitacji newtonowskiej, ewoluują w inny sposób. Przewidywania niewielkich zmian kształtu i orientacji orbit w czasie są różne w przypadku obu teorii i można je porównać z wynikami pomiarów, aby przetestować poprawność ogólnej teorii względności.

[4] System optyki adaptacyjnej kompensuje w czasie rzeczywistym zaburzenia obrazu powstające na skutek turbulentnej atmosfery, pozwalając teleskopom na uzyskanie znacznie lepszej kątowej zdolności rozdzielczej (ostrości obrazu), co do zasady limitowanej jedynie średnicą zwierciadła i długością fali świetlnej, na której prowadzone są obserwacje.

[5] Zespół ustalił, iż masa czarnej dziury wynosi 4,2 × 10⁶ razy więcej niż masa Słońca, a odległość do niej to 8,2 kiloparseka, co odpowiada prawie 27 000 lat świetlnych.

[6] Uniwersytet w Kolonii jest częścią zespołu GRAVITY (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity) i wniósł wkład w układ łączący wiązki spektrometrów w systemie.

[7] Pierwsze światło GRAVITY uzyskano na początku 2016 r., instrument już obserwuje centrum Galaktyki.

Więcej informacji

Wyniki badań opisano w artykule pt. „Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center”, M. Parsa et al., który ukaże się w Astrophysical Journal.

Skład zespołu badawczego: Marzieh Parsa, Andreas Eckart (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Niemcy; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Niemcy), Banafsheh Shahzamanian (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Niemcy), Christian Straubmeier (I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Niemcy), Vladimir Karas (Astronomical Institute, Academy of Science, Prague, Czecy), Michal Zajacek (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Niemcy; I.Physikalisches Institut of the University of Cologne, Niemcy) oraz J. Anton Zensus (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Niemcy).

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Wspiera je 16 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada teleskop VLT (Very Large Telescope - Bardzo Duży Teleskop), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest głównym partnerem ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. Z kolei na Cerro Armazones, niedaleko Paranal, ESO buduje 39-metrowy teleskop ELT (Extremely Large Telescope - Ekstremalnie Wielki Teleskop), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa w Astrophysical Journal.
• Wcześniejsze obserwacje VLT dotyczące centrum Galaktyki (eso0846, eso1151, eso1332 i eso1512)
• Witryna MPE na temat centrum Galaktyki
• Zdjęcia VLT

Kontakt

Krzysztof Czart
Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Marzieh Parsa
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Germany
Tel.: +49(0)221/470-3495
E-mail: parsa@ph1.uni-koeln.de

Andreas Eckart
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Germany
Tel.: +49(0)221/470-3546
E-mail: eckart@ph1.uni-koeln.de

Vladimir Karas
Astronomical Institute, Academy of Science
Prague, Czechia
Tel.: +420-226 258 420
E-mail: vladimir.karas@cuni.cz

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
Tel. kom.: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org