Спостереження, виконані з допомогою Дуже великого телескопа (Very Large Telescope, VLT) Європейської південної обсерваторії (European Southern Observatory, ESO), вперше виявили особливості руху зорі в дуже сильному гравітаційному полі надмасивної чорної діри в центрі Молочного Шляху, які відповідають передбаченням загальної теорії відносності Айнштайна. Цей довгоочікуваний результат — найвище досягнення 26-річних спостережень центра Галактики на телескопах ESO в Чилі.
На відстані 26000 світлових років від нас, в центрі Молочного Шляху, лежить прихована густими хмарами пилу, який поглинає світло, найближча до Землі надмасивна чорна діра. Цього гравітаційного монстра масою в чотири мільйони мас Сонця оточує невелика група зір, які обертаються навколо нього з високою швидкістю. Таке екстремальне середовище — район найсильнішого гравітаційного поля в нашій галактиці — ідеальне місце для дослідження фізики тяжіння, зокрема загальної теорії відносності Айнштайна.
Нові інфрачервоні спостереження, виконані з допомогою винятково чутливих приймачів GRAVITY [1], SINFONI і NACO на Дуже великому телескопі дозволили астрономам відстежити рух однієї з цих зір (її позначають S2), коли вона в травні 2018 р. проходила дуже близько до чорної діри. В найближчій до чорної діри точці зоря лежала від неї на відстані менше 20 млрд км і рухалася зі швидкістю понад 25 мільйонів кілометрів на годину, що становить майже три відсотки швидкості світла [2].
Уявлення художника про шлях зорі S2, який пролягає дуже близько до надмасивної чорної діри в центрі Молочного Шляху. Коли зоря наближається до чорної діри, дуже сильне гравітаційне поле призводить до того, що її колір трохи змінюється в бік червоного. Цей ефект пояснює загальна теорія відносності Айнштайна. На зображенні ефект з кольором і розміри об’єктів завищено для наочності. Фото з сайту www.eso.org.
Дослідники порівняли положення і швидкості зорі S2, виміряні з допомогою приймачів GRAVITY і SINFONI, а також результати попередніх її спостережень, виконаних з іншими інструментами, з передбаченнями, зробленими на основі ньютонівської теорії тяжіння, загальної теорії відносності та іншими теоріями тяжіння. Отримані результати не узгоджуються з теорією Ньютона, але прекрасно відповідають вимогам загальної теорії відносності.
Спостереження надвисокої точності виконала міжнародна група науковців під керівництвом Рейнхарда Ґенцеля (Reinhard Genzel) з Інституту позаземної фізики Макса Планка в м. Ґархінґ (Німеччина) за участю фахівців усього світу: з Паризької обсерваторії, Альпійського університету в Греноблі, Національного центру наукових досліджень Франції, Інституту астрономії Макса Планка, Кельнського університету, Португальського CENTRA — Центру астрофізики і гравітації та ESO. Ці спостереження стали кульмінацією 26-річного циклу високоточних спостережень центра Молочного Шляху з інструментами ESO [3].
«Уже вдруге ми спостерігаємо проходження зорі S2 поблизу чорної діри в центрі нашої галактики. Але в цей раз завдяки кращим параметрам інструментів ми змогли спостерігати її з досі небувалою роздільною здатністю», — сказав Ґенцель. «Ми кілька років інтенсивно готувалися до цієї події, бо хотіли отримати максимум інформації з наданої нам унікальної можливості спостерігати ефекти загальної теорії відносності».
Нові вимірювання чітко демонструють ефект, який називають гравітаційним червоним зміщенням: дуже сильне гравітаційне поле чорної діри розтягує світлові хвилі, що випускає зоря, тобто робить їх довшими. Зміна довжини хвилі світла, що приходить від S2, в точності узгоджується з передбаченнями загальної теорії відносності Айнштайна. Відхилення руху зорі навколо надмасивної чорної діри від передбачень теорії гравітації Ньютона спостерігали вперше.
Ця світлина показує модельовані орбіти зір, що лежать дуже близько до надмасивної чорної діри в центрі Молочного Шляху й обертаються навколо неї. Одна з цих зір, яку позначають S2, обертається з періодом 16 років і наблизилася дуже близько до чорної діри в травні 2018 року. Це ідеальна лабораторія для тестування фізики тяжіння, зокрема загальної теорії відносності Айнштайна. Фото з сайту www.eso.org.
Науковці вимірювали променеву швидкість S2 у напрямку до і від Землі з допомогою приймача SINFONI, а дуже точні вимірювання змін положення S2 для визначення форми її орбіти виконували з інтерферометричним інструментом GRAVITY. Розділення зображень, одержаних з допомогою GRAVITY, таке велике, що зміщення положень зорі, яка лежить на відстані 26000 світлових років від Землі в околиці чорної діри, можна було вимірювати від ночі до ночі.
«Наші перші спостереження S2 з приймачем GRAVITY, виконані близько двох років тому, вже тоді показали, що ми отримали ідеальну лабораторію для дослідження чорної діри», — сказав Франк Ейзенхауер (Frank Eisenhauer) з Інституту позаземної фізики Макса Планка, науковий керівник досліджень з приймачем GRAVITY і спектрографом SINFONI. «Під час зближення зорі з чорною дірою ми навіть реєстрували на більшості зображень слабке світіння навколо чорної діри, яке дозволяло нам точно відстежувати зорю на орбіті. Це, зрештою, і привело до відкриття гравітаційного червоного зміщення в спектрі S2».
Отже, через понад сто років після того, як він опублікував свою статтю, в якій були виведені рівняння загальної теорії відносності, Айнштайн ще раз підтвердив, що мав рацію — цього разу в лабораторії значно фантастичній, ніж він міг припустити!
Франсуа Дельпланк (Françoise Delplancke), керівник Відділу системної інженерії ESO (System Engineering Department), так пояснює значення нових спостережень: «У Сонячній системі ми можемо перевіряти виконання законів фізики тільки в даний момент і за певних умов. І тому для астрономії так важливо переконатися, що ці закони діють і в набагато сильніших гравітаційних полях».
Тепер, коли S2 починає віддалятися від чорної діри, науковці планують продовжити спостереження. Передбачають, що дуже скоро вдасться виявити й інший релятивістський ефект: незначне обертання орбіти зорі, відоме як прецесія Шварцшильда.
Генеральний директор ESO Хав’єр Барконс (Xavier Barcons) підбиває підсумок: «ESO співпрацює з Рейнхардом Ґенцелем, його групою і його співробітниками з інших інститутів країн-учасниць ESO вже понад чверть століття. Розробка унікальних потужних інструментів, потрібних для виконання найтонших спостережень, і установка їх на телескоп VLT була складним технічним та науковим завданням. І відкриття, про який ми розповідаємо сьогодні, є чудовим результатом цього партнерства».
Примітки
[1] Приймач GRAVITY розроблено в співпраці Інституту позаземної фізики Макса Планка (Німеччина), групи LESIA з Паризької обсерваторії — PSL/ CNRS/ університету Сорбони / Паризького університету Дідро і IPAG з Альпійського університету в Греноблі / CNRS (Франція), Інституту астрономії Макса Планка (Німеччина), Кельнського університету (Німеччина), CENTRA — Центру астрофізики і гравітації (Португалія) та ESO.
[2] Зоря S2 обертається навколо чорної діри з періодом 16 років по дуже витягнутій орбіті. В найближчій до чорної діри точці орбіти зоря опиняється від неї на відстані не більше двадцяти мільярдів кілометрів — це приблизно в 120 разів більше, ніж відстань від Землі до Сонця, або вчетверо більше, ніж відстань від Сонця до Нептуна. Ця відстань відповідає приблизно 1500 шварцшильдівським радіусам чорної діри.
[3] Спостереження центра Молочного Шляху треба виконувати на довгих хвилях (в даному випадку, в інфрачервоному діапазоні), бо хмари пилу між Землею і центральною зоною Галактики дуже сильно поглинають світло.
За інф. з сайту www.eso.org підготував Іван Крячко
