Komunikat prasowy

Pierwszy udany test Ogólnej Teorii Względności w pobliżu supermasywnej czarnej dziury

Zwieńczenie 26 lat obserwacji serca Drogi Mlecznej prowadzonych przez ESO

26 lipca 2018

Obserwacje wykonane przy pomocy należącego do ESO teleskopu VLT po raz pierwszy pokazały przewidywane przez teorię względności Einsteina efekty w ruchu gwiazdy przechodzącej przez ekstremalne pole grawitacyjne blisko supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Ten długo oczekiwany wynik stanowi kulminację 26-letniej kampanii obserwacyjnej korzystającej z teleskopów ESO w Chile.

Najbliższa względem Ziemi supermasywna czarna dziura znajduje się 26 tysięcy lat świetlnych od nas w centrum Drogi Mlecznej i jest przesłonięta przez grube obłoki absorbującego pyłu. Ten grawitacyjny potwór o masie cztery miliony razy większej niż masa Słońca, jest otoczony przez małą grupę gwiazd krążących wokół niego po orbitach z dużą prędkością. Ekstremalne środowisko – najsilniejsze pole grawitacyjne w naszej galaktyce – czyni obiekt idealnym miejscem do badania fizyki grawitacyjnej, a w szczególności testowania Ogólnej Teorii Względności Einsteina.

Nowe podczerwone obserwacje z wyjątkowo czułych instrumentów GRAVITY [1], SINFONI i NACO, na należącym do ESO Bardzo Dużym Teleskopie (VLT), pozwoliły astronomom na śledzenie jednej z tych gwiazd, nazwanej S2, w okresie gdy przeszła bardzo blisko czarnej dziury w maju 2018 r. W najbliższym punkcie gwiazda znajdowała się w odległości mniejszej niż 20 miliardów kilometrów od czarnej dziury i poruszała się z prędkością przekraczającą 25 milionów kilometrów na godzinę – prawie 3% prędkości światła [2].

Badacze porównali pomiary pozycji i prędkości odpowiednio z GRAVITY i SINFONI, razem z wcześniejszymi obserwacjami S2 dokonanymi przy pomocy innych instrumentów, z przewidywaniami grawitacji newtonowskiej, ogólnej teorii względności oraz innymi teoriami grawitacji. Nowe wyniki są niezgodnie z przewidywaniami newtonowskimi i niesamowicie zgodne z przewidywaniami teorii względności.

Te niesamowicie precyzyjne pomiary zostały przeprowadzone przez międzynarodowy zespół, który kierował Reinhard Genzel z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) w Garching (Niemcy), we współpracy z naukowcami z całego świata, z Paris Observatory–PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max Planck Institute for Astronomy, University of Cologne, Portuguese CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação i ESO. Obserwacje te są kulminacją 26-letniej serii jeszcze bardziej precyzyjnych obserwacji centrum Drogi Mlecznej przy pomocy instrumentów ESO [3].

„Po raz drugi obserwowaliśmy bliskie przejście S2 obok czarnej dziury w galaktycznym centrum. Ale tym razem, z powodu znacznego polepszenia instrumentarium, byliśmy w stanie obserwować gwiazdę z niespotykaną rozdzielczością” wyjaśnia Genzel. „Intensywnie przygotowywaliśmy się do tego zdarzenia przez kilka lat, gdyż chcieliśmy uzyskać jak najwięcej z tej unikalnej szansy na obserwację efektów przewidywanych przez ogólną teorię względności.”

Nowe pomiary wyraźnie pokazały efekt zwany poczerwienieniem grawitacyjnym. Światło od gwiazdy jest rozciągane do dłuższych fal przez bardzo silne pole grawitacyjne czarnej dziury. Zmiana długości fali świetlnej od S2 zgadza się dokładnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina. Po raz pierwszy odchyłki od przewidywań prostszej newtonowskiej teorii grawitacji zostały zaobserwowane w ruchu gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury.

Naukowcy wykorzystali SINFONI do zmierzenia prędkości S2 w kierunku Ziemi, a instrument GRAVITY na Interferometrze VLT (VLTI) do wykonania niesamowicie precyzyjnych pomiarów zmian pozycji S2, aby zdefiniować kształt jej orbity. GRAVITY tworzy ostre obrazy, które ujawniają ruch gwiazdy z nocy na noc, gdy przechodzi ona blisko czarnej dziury – 26 000 lat świetlnych od Ziemi.

„Nasze pierwsze obserwacje S2 przy pomocy GRAVITY, około dwa lata temu, już wtedy pokazały, że będziemy mieć idealne laboratorium czarnej dziury” dodaje Frank Eisenhauer (MPE), kierownik naukowy GRAVITY i spektrografu SINFONI. „Podczas bliskiego przejścia mogliśmy nawet wykryć słabe świecenie wokół czarnej dziury na większości zdjęć, co pozwoliło precyzyjnie śledzić gwiazdę na jej orbicie, prowadząc ostatecznie do wykrycia poczerwienienia grawitacyjnego w widmie S2.”

Ponad sto lat po publikacji pracy definiującej równania ogólnej teorii względności, kolejny raz udało się dowieść, że Einstein miał rację – w znacznie bardziej ekstremalnym laboratorium niż można było sobie wyobrazić!

Françoise Delplancke, kierująca System Engineering Department w ESO, wyjaśnia znaczenie tych obserwacji: „W Układzie Słonecznym możemy testować prawa fizyki w określonych warunkach. Ale w astronomii jest bardzo ważne, aby sprawdzić, czy te prawa działają także, gdy pola grawitacyjne są znacznie silniejsze”.

Naukowcy spodziewają się, że dalsze obserwacje ujawnią wkrótce inny efekt relatywistyczny – niewielką rotację orbity gwiazdy, znaną jako precesja Schwarzschilda — gdy S2 będzie oddalać się od czarnej dziury.

Xavier Barcons, Dyrektor Generalny ESO, podsumowuje: "ESO pracowało razem z Reinhardem Genzelem i jego zespołem oraz współpracownikami w Krajach Członkowskich ESO przez ponad ćwierć wieku. Było to olbrzymie wyzwanie, aby opracować potężne, unikalne instrumenty potrzebne do wykonania tych niezwykle delikatnych pomiarów oraz aby umieścić je na VLT w Paranal. Ogłoszone dzisiaj odkrycie jest bardzo ciekawym rezultatem niezwykłego partnerstwa.”

Uwagi

[1] Opracowanie GRAVITY to zasługa Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (Niemcy), LESIA of Paris Observatory–PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot and IPAG of Université Grenoble Alpes / CNRS (Francja), Max Planck Institute for Astronomy (Niemcy), University of Cologne (Niemcy), CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) oraz ESO.

[2] S2 krąży wokół czarnej dziury z okresem 16 lat po silnie ekscentrycznej orbicie, która sprowadza ją na dystans mniejszy niż 20 miliardów kilometrów – 120 razy odległość Ziemia-Słońce, albo cztery razy dystans Neptun-Słońce – w punkcie zbliżenia do czarnej dziury. Dystans ten odpowiada 1500 promieniom Schwarzschilda samej czarnej dziury.

[3] Obserwacje centrum Drogi Mlecznej muszą być wykonywane na dłuższych falach (w tym przypadku w podczerwieni), ponieważ obłoki pyłu pomiędzy Ziemią, a centralnym obszarem silnie absorbują światło widzialne.

Więcej informacji

Skład zespołu badawczego GRAVITY Collaboration: R. Abuter (ESO, Garching, Niemcy), A. Amorim (Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugalia), N. Anugu (Universidade do Porto, Porto, Portugalia), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Niemcy [MPE]), M. Benisty (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francja [IPAG]), J.P. Berger (IPAG; ESO, Garching, Niemcy), N. Blind (Observatoire de Genève, Université de Genève, Versoix, Szwajcaria), H. Bonnet (ESO, Garching, Niemcy), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Niemcy [MPIA]), A. Buron (MPE), C. Collin (LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Meudon, Francja [LESIA]), F. Chapron (LESIA), Y. Clénet (LESIA), V. Coudé du Foresto (LESIA), P. T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, The Netherlands; MPE), C. Deen (MPE), F. Delplancke-Ströbele (ESO, Garching, Niemcy), R. Dembet (ESO, Garching, Niemcy; LESIA), J. Dexter (MPE), G. Duvert (IPAG), A. Eckart (University of Cologne, Cologne, Niemcy; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Niemcy), F. Eisenhauer (MPE), G. Finger (ESO, Garching, Niemcy), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Fédou (LESIA), P. Garcia (Universidade do Porto, Porto, Portugalia), 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, Lizbona, Portugali), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), M. Haug (ESO, Garching, Niemcy), F. Haußmann (MPE), Th. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (University of Cologne, Cologne, Niemcy), Z. Hubert (LESIA; MPIA), N. Hubin (ESO, Garching, Niemcy), A. Jimenez Rosales (MPE), L. Jochum (ESO, Garching, Niemcy), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO, Santiago, Chile), S. Kellner (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Niemcy), S. Kendrew (MPIA), 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, Niemcy), E. Müller (ESO, Garching, Niemcy; MPIA), U. Neumann (MPIA), T. Ott (MPE), L. Palanca (ESO, Santiago, Chile), T. Paumard (LESIA), L. Pasquini (ESO, Garching, Niemcy), 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, Niemcy), N. Schuler (ESO, Santiago, Chile), J. Spyromilio (ESO, Garching, Niemcy), O. Straub (LESIA), C. Straubmeier (University of Cologne, Cologne, Niemcy), 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, Niemcy), I. Waisberg (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), M. Wiest (University of Cologne, Cologne, Niemcy), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Niemcy), S. Yazici (MPE; University of Cologne, Cologne, Niemcy), D. Ziegler (LESIA) oraz G. Zins (ESO, Santiago, Chile).

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Ma 15 krajów członkowskich: Austria, Belgia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Polska, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy, dodatkowo Chile jest kraje gospodarzem, a Australia strategicznym partnerem. 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 "Astronomy & Astrophysics"
• Preprint publikacji w A&A
• Zdjęcia VLT
• Strona internetowa GRAVITY w Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
• Pierwsze udane obserwacje centrum galaktyki przy pomocy GRAVITY
• Wcześniejsze obserwacje przy pomocy GRAVITY

Kontakt

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

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

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

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

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

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych