eso1825nb — Pressemelding

Første vellykkede test av Einsteins generelle relativitetsteori i nærheten av et supermassivt sort hull

Kulminasjonen av 26 år med ESO-observasjoner av Melkeveiens sentrum

26. juli 2018

Observasjoner gjort med ESOs Very Large Telescope har for første gang avslørt effekten på bevegelsen til en stjerne som passerer gjennom det ekstreme gravitasjonsfeltet nær det supermassive sorte hullet i sentrum av Melkeveien, forutsagt av Einsteins generelle relativitetsteori. Dette etterspurte resultatet representerer kulminasjonen av en 26-årig observasjonskampanje gjort med ESOs teleskoper i Chile.

Det nærmeste supermassive sorte hullet ligger 26 000 lysår unna Jorden, i sentrum av Melkeveien, tilslørt av tykke skyer av absorberende støv. Dette gravitasjonsmonstret, som har en masse fire millioner ganger Solens masse, er omgitt av en liten gruppe stjerner som kretser rundt det sorte hullet med høy hastighet. Dette ekstreme miljøet – det sterkeste gravitasjonsfeltet i vår galakse – gjør dette til det perfekte stedet å utforske gravitasjonsfysikk, og spesielt teste Einsteins generelle relativitetsteori.

Nye infrarøde observasjoner gjort med de svært følsomme instrumentene GRAVITY [1], SINFONI og NACO på ESOs Very Large Telescope (VLT), har gitt astronomer muligheten til å følge en av disse stjernene, kalt S2, da den passerte svært nærme det sorte hullet i mai 2018. På det nærmeste punkt var denne stjernen i en avstand på mindre enn 20 milliarder kilometer fra det sorte hullet (130 ganger avstanden mellom Jorden og Solen) og bevegde seg med en hastighet på over 25 millioner kilometer i timen – nesten tre prosent av lysets hastighet [2].

Teamet sammenlignet posisjon- og hastighetsmålinger fra henholdsvis GRAVITY og SINFONI, samt tidligere observasjoner av S2 gjort ved hjelp av andre instrumenter, med forutsigelser fra Newtons gravitasjonslov, generell relativitetsteori og andre gravitasjonsteorier. De nye resultatene er uforenlige med newtonske forutsigelser og i utmerket overenstemmelse med forutsigelsene fra generell relativitetsteori.

Disse ekstremt nøyaktige målingene ble gjort av et internasjonalt forskningsteam ledet av Reinhard Genzel fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching i Tyskland, sammen med samarbeidspartnere over hele verden ved Paris Observatory-PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max Planck Institute for Astronomy, University of Cologne, CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação og ESO. Observasjonene er kulminasjonen av en 26-årig serie med stadig mer nøyaktige observasjoner av Melkeveiens sentrum ved hjelp av ESO-instrumenter [3].

«Dette er andre gang vi har observert den tette passasjen av S2 rundt det sorte hullet i vårt galaktiske senter. Men denne gangen, på grunn av forbedrede instrumenter, var vi i stand til å observere stjernen med enestående oppløsning», forklarer Genzel. «Vi har forberedt oss intensivt på denne hendelsen i flere år, da vi ønsket å få mest mulig ut av denne unike muligheten til å observere generelle relativistiske effekter.»

De nye målingene avslører tydelig en effekt som kalles gravitasjonell rødforskyvning. Lys fra stjernen strekkes til lengre bølgelengder ved det sorte hullets meget sterke gravitasjonsfelt. Og forandringen i lysets bølgelengde fra S2 stemmer nøyaktig med det som forutses av Einsteins generelle relativitetsteori. Dette er første gang at dette avviket fra forutsigelsene til den enklere Newtonske gravitasjonsteorien er blitt observert i bevegelsen til en stjerne rundt et supermassivt sort hull.

Teamet brukte SINFONI til å måle hastigheten til S2 mens den bevegde seg mot og vekk fra Jorden i banen dens. De brukte GRAVITY-instrumentet i VLT-interferometeret (VLTI) for å gjøre ekstraordinære nøyaktige målinger av posisjonsendringen til S2 for å definere formen på banen dens. GRAVITY tar så skarpe bilder at den kan avsløre stjernens bevegelse fra natt til natt når den passerer nær det sorte hullet – 26 000 lysår unna Jorden.

«Våre første observasjoner av S2 med GRAVITY, for omtrent to år siden, viste allerede da at vi ville ha det ideelle laboratoriet for å studere sorte hull», legger Frank Eisenhauer (MPE) til, hovedforsker ved GRAVITY og SINFONI-spektrografen. «Under den tette passasjen kunne vi til og med oppdage en svak glød rundt det sorte hullet på de fleste bildene, noe som tillot oss å følge stjernen sin bane nøyaktig. Dette førte i siste instans til deteksjonen av gravitasjonell rødforskyvning i lysspektret fra S2.»

Mer enn hundre år etter at Einstein publiserte artikkelen hvor han presenterte ligningene i den generelle relativitetsteorien, har han vist seg å ha rett igjen – i et mye mer ekstremt laboratorium enn han kanskje hadde forestilt seg!

Françoise Delplancke, leder av System Engineering Department ved ESO, forklarer betydningen av observasjonene: «Her i solsystemet kan vi bare teste fysikkens lover under visse omstendigheter. Så det er veldig viktig i astronomien å også kontrollere at disse lovene fortsatt er gyldige der hvor gravitasjonsfeltene er mye sterkere.»

Videre observasjoner forventes å avsløre en annen relativistisk effekt veldig snart når S2 beveger seg bort fra det sorte hullet: en liten rotasjon av stjernens bane, kjent som Schwarzschild-presesjon.

Xavier Barcons, ESOs administrerende direktør, konkluderer med: «ESO har jobbet sammen med Reinhard Genzel, hans team og samarbeidspartnere i ESO-medlemslandene i over et kvart århundre. Det var en stor utfordring å utvikle de kraftige instrumentene som trengs for å gjøre disse svært delikate målingene og utplassere dem på VLT i Paranal. Oppdagelsen som ble annonsert i dag, er det veldig spennende resultatet av et bemerkelsesverdig partnerskap.»

Fotnoter

[1] GRAVITY ble utviklet av et samarbeid bestående av Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (Tyskland), LESIA of Paris Observatory–PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot and IPAG of Université Grenoble Alpes / CNRS (Frankrike), Max Planck Institute for Astronomy (Tyskland), University of Cologne (Tyskland), CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) og ESO.

[2] S2 fullfører et baneomløp rundt det sorte hullet hvert 16. år i en svært eksentrisk bane som bringer den inntil 20 milliarder kilometer fra det sorte hullet ved nærmeste tilnærming – 130 ganger avstanden mellom Jorden og Solen, eller omtrent fire ganger avstanden fra Solen til Neptun. Denne avstanden tilsvarer omtrent 1500 ganger Schwarzschild-radiusen til det sorte hullet.

[3] Observasjoner av Melkeveiens sentrum må gjøres ved lengre bølgelengder (i dette tilfellet infrarøde bølgelengder), ettersom støvskyene mellom Jorden og den sentrale regionen av galaksen absorberer synlig lys.

Mer informasjon

Denne forskningen ble presentert i den vitenskapelige artikkelen «Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole» av GRAVITY-samarbeidet i tidsskriftet Astronomy & Astrophysics 26. juli 2018.

GRAVITY-samarbeidsteamet består av: R. Abuter (ESO, Garching, Tyskland), A. Amorim (Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal), N. Anugu (Universidade do Porto, Porto, Portugal), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Tyskland [MPE]), M. Benisty (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Frankrike [IPAG]), J.P. Berger (IPAG; ESO, Garching, Tyskland), N. Blind (Observatoire de Genève, Université de Genève, Versoix, Sveits), H. Bonnet (ESO, Garching, Tyskland), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Tyskland [MPIA]), A. Buron (MPE), C. Collin (LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Meudon, Frankrike [LESIA]), F. Chapron (LESIA), Y. Clénet (LESIA), V. Coudé du Foresto (LESIA), P. T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, Nederland; MPE), C. Deen (MPE), F. Delplancke-Ströbele (ESO, Garching, Tyskland), R. Dembet (ESO, Garching, Tyskland; LESIA), J. Dexter (MPE), G. Duvert (IPAG), A. Eckart (University of Cologne, Cologne, Tyskland; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Tyskland), F. Eisenhauer (MPE), G. Finger (ESO, Garching, Tyskland), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Fédou (LESIA), P. Garcia (Universidade do Porto, Porto, Portugal), R. Garcia Lopez (MPIA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE; University of California, Berkeley, California, USA), S. Gillessen (MPE), P. Gordo (Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), M. Haug (ESO, Garching, Tyskland), F. Haußmann (MPE), Th. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (University of Cologne, Cologne, Tyskland), Z. Hubert (LESIA; MPIA), N. Hubin (ESO, Garching, Tyskland), A. Jimenez Rosales (MPE), L. Jochum (ESO, Garching, Tyskland), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO, Santiago, Chile), S. Kellner (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Tyskland), S. Kendrew (MPIA, ESA), P. Kervella (LESIA; MPIA), Y. Kok (MPE), M. Kulas (MPIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), B. Lazareff (IPAG), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Lippa (MPE), R. Lenzen (MPIA), A. Mérand (ESO, Garching, Tyskland), E. Müller (ESO, Garching, Tyskland; MPIA), U. Neumann (MPIA), T. Ott (MPE), L. Palanca (ESO, Santiago, Chile), T. Paumard (LESIA), L. Pasquini (ESO, Garching, Tyskland), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (MPE), P.M. Plewa (MPE), S. Rabien (MPE), A. Ramírez (ESO, Chile), J. Ramos (MPIA), C. Rau (MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), R.-R. Rohloff (MPIA), G. Rousset (LESIA), J. Sanchez-Bermudez (ESO, Santiago, Chile; MPIA), S. Scheithauer (MPIA), M. Schöller (ESO, Garching, Tyskland), N. Schuler (ESO, Santiago, Chile), J. Spyromilio (ESO, Garching, Tyskland), O. Straub (LESIA), C. Straubmeier (University of Cologne, Cologne, Tyskland), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), K.R.W. Tristram (ESO, Santiago, Chile), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Wank (University of Cologne, Cologne, Tyskland), I. Waisberg (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), M. Wiest (University of Cologne, Cologne, Tyskland), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Tyskland), S. Yazici (MPE; University of Cologne, Cologne, Tyskland), D. Ziegler (LESIA) and G. Zins (ESO, Santiago, Chile).

ESO, European Southern Observatory, er den fremste mellomstatlige astronomiorganisasjonen i Europa og verdens desidert mest produktive astronomiske observatorium. Organisasjonen er finansiert av 15 land: Belgia, Danmark, Finland, Frankrike, Italia, Nederland, Polen, Portugal, Spania, Storbritannia, Sveits, Sverige, Tsjekkia, Tyskland og Østerrike, samt vertsnasjonen Chile og med Australia som en strategisk partner. ESOs ambisiøse virksomhet fokuserer på design, bygging og drifting av effektive bakkebaserte observasjonsanlegg for å muliggjøre banebrytende vitenskapelige oppdagelser. ESO spiller også en ledende rolle i å fremme og organisere samarbeid innenfor astronomisk forskning. ESO driver tre unike, verdensledende observatorier i Chile: La Silla, Paranal og Chajnantor. Ved Paranal har ESO oppført Very Large Telescope og det verdensledende Very Large Telescope Interferometer, samt de to kartleggingsteleskopene VISTA som observerer i infrarødt og VLT Survey Telescope som observerer i synlig lys. ESO er også en viktig partner i to fasiliteter ved Chajnantor, APEX og ALMA, som er nåtidens største astronomiprosjekt. På Cerro Armazones, ikke langt fra Paranal, er ESO i ferd med å bygge Extremely Large Telescope (ELT). Med en speildiameter på 39 meter vil dette bli det største «øye» i verden som ser opp på himmelen.

Linker

• Vitenskapelig artikkel i Astronomy & Astrophysics
• Preprint av artikkelen i Astronomy & Astrophysics
• Bilder av VLT
• GRAVITY-nettsiden ved Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
• Første vellykkede GRAVITY-observasjon av Melkeveiens supermassive sorte hull
• Tidligere observasjoner av GRAVITY

Kontakter

Maria Hammerstrøm (oversetter & norsk pressekontakt)
Universitetet i Oslo
Oslo, Norge
E-post: eson-norway@eso.org

Reinhard Genzel
Director, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tlf.: +49 89 30000 3280
E-post: genzel@mpe.mpg.de

Frank Eisenhauer
GRAVITY Principal Investigator, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tlf.: +49 (89) 30 000 3563
E-post: eisenhau@mpe.mpg.de

Stefan Gillessen
Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tlf.: +49 89 30000 3839
E-post: ste@mpe.mpg.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tlf.: +49 89 3200 6655
Mob.: +49 151 1537 3591
E-post: pio@eso.org

Hannelore Hämmerle
Public Information Officer, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Tlf.: +49 (89) 30 000 3980
E-post: hannelore.haemmerle@mpe.mpg.de

ESO i sosiale medier

Dette er en oversettelse av ESOs pressemelding eso1825 i regi av ESON, et nettverk av personer i ESOs medlemsland (samt noen utenfor ESO, som Norge) som fungerer som lokale mediekontakter i forbindelse med pressemeldinger og andre nyheter fra ESO.