Спостереження, виконані за допомогою Дуже великого телескопа (Very Large Telescope, VLT) Європейської південної обсерваторії (European Southern Observatory, ESO), вперше виявили: зоря, що обертається навколо надмасивної чорної діри в центрі Молочного Шляху, рухається так, як і передбачає загальна теорія відносності Айнштайна. Її орбіта має форму розетки, а не еліпса, як це передбачає теорія тяжіння Ньютона. Цей давно очікуваний результат став можливим завдяки вимірюванням, які весь час покращували та виконували протягом майже 30 років. Вони дали змогу науковцям розкрити таємниці «бегемота», що ховається в центрі нашої галактики.
«Загальна теорія відносність Айнштайна передбачає, що орбіта об’єкта, який обертається навколо іншого, не замкнута, як у теорії ньютонівській гравітації, а зміщується у своїй площині в напрямку обертання. Цей відомий ефект, вперше виявлений для орбіти Меркурія навколо Сонця, був першим спостережним підтвердженням загальної теорії відносності. Через сто років ми виявили такий ефект у русі зорі, що обертається навколо компактного радіоджерела Стрілець А* в центрі Молочного Шляху. Цей спостережний прорив посилює докази того, що Стрілець А* має бути надмасивною чорною дірою з масою в 4 мільйони разів більшою, ніж маса Сонця», — сказав Рейнгард Ґенцель (Reinhard Genzel), директор Інституту позаземної фізики Макса Планка (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) в Гархінгу (Німеччина) та натхненник 30-річної програми, яка привела до цього результату.
Ця світлина широкого поля (приблизно 3,5 ´ 3.6 кутових градусів) у видимому світлі показує зоряні скупчення в сузір’ї Стрільця в напрямку до центра нашої галактики Молочний Шлях. На зображенні видно дуже багато зір, але набагато більше їх приховано за хмарами пилу. Їх видно лише на фото, отриманих в інфрачервоному світлі. Це зображення створено з окремих знімків у червоних та синіх променях. Воно є частиною Цифрового огляду неба 2 (Digitized Sky Survey 2). Фото з сайту www.eso.org.
Об’єкт Стрілець А*, що міститься на відстані 26 000 світлових років від Сонця, та щільне скупчення зір навколо нього, — це унікальна лабораторія для перевірки фізичних законів за екстремальної гравітації, що в інших умовах виконати не можливо. Одна з цих зір, S2, проходить повз надмасивну чорну діру на мінімальній відстані, що становить менше 20 мільярдів кілометрів (це в сто двадцять разів більше відстані між Сонцем і Землею). S2 є однією з найближчих зір, які коли-небудь спостерігали на орбіті навколо надмасивної чорної діри. У момент мінімального наближення до чорної діри S2 рухається з швидкістю, що становить майже на три відсотки від швидкості світла. Її орбітальний період дорівнює 16 років. «Слідкуючи упродовж двох з половиною десятиліть за зорею на її орбіті навколо Стрільця А* ми завдяки точним вимірюванням надійно виявили прецесію Шварцшильда», — сказав Стефан Ґіллессен (Stefan Gillessen) з MPE, який керував роботою з аналізу вимірювань. Результати цієї роботи оприлюднив 16 квітня поточного року журнал Astronomy & Astrophysics.
Це динамічна схематична ілюстрація, що показує орбіту зорі S2 навколо Стрільця А*, надмасивної чорної діри в центрі Молочного Шляху. Значення прецесії збільшено для кращої візуалізації. Відео з сайту www.eso.org.
Більшість зір і планет мають не колові орбіти й тому проходять то ближче, то далі від об’єкта, навколо якого вони обертаються. Орбіта S2 зазнає прецесії, тобто положення (місце) її найближчої точки до надмасивної чорної діри змінюється з кожним поворотом: наступна орбіта повертається відносно попередньої на певний кут, що загалом приводить до утворення форми схожої на розетку. Загальна теорія відносності точно передбачає, на яку величину зміститься орбіта і останні вимірювання, виконані в цьому дослідженні, точно відповідають теорії. Цей ефект, відомий як прецесія Шварцшильда, ніколи раніше не вимірювали для зорі, що обертається навколо надмасивної чорної діри.
Дослідження, виконане за допомогою VLT ESO, також дає змогу науковцям дізнатися більше про околиці надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики. «Оскільки вимірювання руху S2 так добре відповідають загальній теорії відносності, ми можемо встановити жорсткі межі щодо того, скільки невидимої субстанції, такої як рівномірно розподілена темна матерія або можливі чорні діри меншої маси, є навколо Стрільця А*. Це становить великий інтерес для розуміння утворення та еволюції надмасивних чорних дір», — зауважили Ґі Перрен (Guy Perrin) та Карін Перро (Karine Perraut), які відповідають за виконання дослідження з боку Франції.
Отриманий результат — кульмінація 27-ти років спостережень за зорею S2. Упродовж більшої частини цього часу спостереження виконували за допомогою цілого набору приймачів на Дуже великому телескопі, який встановлено у пустелі Атакама в Чилі. Кількість даних, що реєструють положення та швидкість зорі, свідчить про ґрунтовність і точність нового дослідження: науковці виконали загалом понад 330 вимірювань, використовуючи приймачі GRAVITY, SINFONI та NACO. Оскільки період обертання S2 навколо надмасивної чорної діри становить понад 10 років, важливо було прослідкувати за зорею близько трьох десятиліть, щоб розгадати тонкощі її орбітального руху.
Цей результат комп’ютерного моделювання показує орбіти зір, що лежать дуже близько до надмасивної чорної діри в центрі Молочного Шляху. Одна з цих зір, яку позначають S2, здійснює один оберт за 16 років. Останній раз вона пройшла на мінімальній відстані від чорної діри у травні 2018 року. Це ідеальна лабораторія для перевірки природи гравітації, зокрема загальної теорії відносності Айнштайна.
Дослідження орбіти S2 спільнота науковців GRAVITY описала в статті «Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole», яку оприлюднив журнал Astronomy & Astrophysics 26 липня 2018 року. Фото з сайту www.eso.org.
Дослідження виконала міжнародна група науковців під керівництвом Френка Ейзенхауера (Frank Eisenhauer) з MPE разом із співробітниками з Франції, Португалії, Німеччини та ESO. Науковці утворили об’єднання GRAVITY, за назвою інструмента, який вони розробили для Інтерферометра VLT. Цей інтерферометр поєднує світло всіх чотирьох 8-метрових телескопів VLT, що дає змогу отримати роздільну здатність, еквівалентну тій, яку мав би телескоп з діаметром головного дзеркала 130 метрів. Ці ж науковці повідомила у 2018 році про інший ефект, передбачений загальною теорією відносністю: вони виявили, що світло, зареєстроване від S2, має більшу довжину хвилі, коли зоря проходить близько до Стрільця А*. «Наш попередній результат показав, що властивості світла, яке випромінює зоря, відповідають загальній теорії відносності. Тепер ми показали, що поведінка зорі також відповідає загальній теорії відносності», — сказав Пауло Гарсія (Paulo Garcia), науковий співробітник португальського Центру астрофізики та гравітації й один із головних дослідників проекту GRAVITY.
Науковці сподіваються, що за допомогою майбутнього Надзвичайно великого телескопа (Extremely Large Telescope) їм вдасться побачити набагато слабкіші зорі, які обертаються на ще ближчій відстані до надмасивної чорної діри. «Якщо нам пощастить, ми можемо виявити зорі достатньо близько біля чорної діри й завдяки їм оцінити її обертання, тобто спін», — сказав Андреас Еккарт (Andreas Eckart) з Кельнського університету, другий головний дослідник проекту. Це означало б, що астрономи зможуть виміряти дві величини, спін та масу, які характеризують об’єкт Стрілець A* та визначають простір і час навколо нього. «Це буде абсолютно інший рівень перевірки теорії відносності», — зауважив Еккарт.
За інф. з сайту www.eso.org підготував Іван Крячко
