Телескоп ESO видит звездный танец вокруг сверхмассивной черной дыры
AstroNews.ru - 16 Апреля 2020 15:41:52
Наблюдения, сделанные с помощью «Очень большого телескопа» (VLT) ESO, впервые показали, что звезда, вращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного пути, движется так же, как и предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Ее орбита имеет форму розетки, а не эллипса, как предсказывает теория тяготения Ньютона. Этот долгожданный результат стал возможен благодаря все более точным измерениям на протяжении почти 30 лет, которые позволили ученым раскрыть тайны черный дыры, скрывающейся в центре нашей галактики.
«Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что связанные орбиты одного объекта вокруг другого не замкнуты, как в ньютоновской гравитации, а прецессируют вперед в плоскости движения. Этот знаменитый эффект - впервые увиденный на орбите Меркурия вокруг Солнца - был первым свидетельством в пользу общей теории относительности.
Спустя сто лет мы обнаружили тот же эффект в движении звезды, вращающейся вокруг компактного радиоисточника Стрельца А* в центре Млечного Пути. Этот наблюдательный прорыв укрепляет доказательства того, что Стрелец A* должен быть сверхмассивной черной дырой в 4 миллиона раз больше массы Солнца», - говорит Рейнхард Гензел, директор Института внеземной физики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, и создатель 30-летней программы, которая привела к этому результату.
Расположенный в 26 000 световых годах от Солнца Стрелец А* и плотное скопление звезд вокруг него представляют уникальную лабораторию для проверки физики в неизведанном и экстремальном режиме гравитации. Одна из этих звезд, S2, движется около сверхмассивной черной дыры подходя к ней на самое близкое расстояние - менее 20 миллиардов километров (в 120 раз больше расстояния между Солнцем и Землей или 18.5 световых часов). Это что делает ее одной из самых близких звезд, когда-либо найденных на орбите вокруг массивного гиганта.
При ближайшем подлете к черной дыре звезда S2 движется в пространстве со скоростью почти в 3% скорости света, совершая один оборот каждые 16 лет. «После более чем двух с половиной десятилетий следования за звездой на ее орбите, наши изысканные измерения надежно обнаруживают прецессию Шварцшильда S2 на ее пути вокруг Стрельца А* » , - говорит Стефан Гиллессен из MPE, который руководил анализом измерений, опубликованных сегодня в журнал Астрономия и Астрофизика.
Большинство звезд и планет имеют не круговую орбиту и поэтому двигаются то ближе, то дальше от объекта, вокруг которого они вращаются. Орбита S2 прецессирует, что означает, что местоположение ее ближайшей точки к сверхмассивной черной дыре меняется с каждым проходом, так что следующая орбита поворачивается относительно предыдущей, создавая форму розетки. Общая теория относительности обеспечивает точный прогноз того, насколько ее орбита меняется, и последние измерения, полученные в результате этого исследования, в точности соответствуют теории. Этот эффект, известный как прецессия Шварцшильда, никогда ранее не измерялся для звезды, вращающейся вокруг сверхмассивной черной дыры.
Исследование с VLT ESO также помогает ученым узнать больше о близости сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. «Поскольку измерения S2 очень хорошо следуют общей теории относительности, мы можем установить строгие ограничения на количество невидимого материала, такого как распределенная темная материя или возможные более мелкие черные дыры, вокруг Стрельца А*. Это представляет большой интерес для понимания формирования и развития сверхмассивных черных дыр» , - говорят Гай Перрен и Карин Перро, французские ученые проекта.
Этот результат является кульминацией 27-летних наблюдений за звездой S2, во время которых использовался ряд инструментов телескопа VLT ESO, расположенного в пустыне Атакама в Чили. Количество параметров, обозначающих положение и скорость звезды, свидетельствует о тщательности и точности нового исследования: команда провела в общей сложности более 330 измерений с использованием инструментов GRAVITY, SINFONI и NACO. Поскольку на орбиту вокруг сверхмассивной черной дыры уходят годы, очень важно было следовать за звездой S2 в течение почти трех десятилетий, чтобы разгадать тонкости ее орбитального движения.
Исследование было проведено международной командой во главе с Фрэнком Эйзенхауэром из MPE с сотрудниками из Франции, Португалии, Германии и ESO. Команда создала коллаборацию GRAVITY, названную в честь прибора, разработанного для интерферометра VLT, который объединяет свет всех четырех 8-метровых телескопов VLT в супер-телескоп (с разрешением, эквивалентным разрешению телескопа диаметром 130 метров). В 2018 году та же команда сообщила о другом эффекте, предсказанном Общей теорией относительности: они увидели, что свет, полученный от S2, растягивается до более длинных волн, когда звезда проходит вблизи Стрельца А*. «Наш предыдущий результат показал, что свет, излучаемый звездой, испытывает эффект общей теории относительности. Теперь мы показали, что и сама звезда ощущает эффекты общей теории относительности», - говорит Пауло Гарсия, исследователь Португальского центра астрофизики и гравитации и один из ведущих ученых проекта GRAVITY.
С приближением 2025 года, на который запланировано завершение строительства ESO Extremely Large Telescope (Чрезвычайно большого телескопа), команда считает, что они смогут увидеть гораздо более слабые звезды, движущиеся по орбите, даже ближе к сверхмассивной черной дыре. «Если нам повезет, мы сможем запечатлеть звезды, которые проходят достаточно близко от черной дыры, чтобы они действительно почувствовали на себе вращение... вращение черной дыры», - говорит Андреас Экарт из Кельнского университета, еще один из ведущих ученых проекта. Это означало бы, что астрономы смогут измерить две величины, спин и массу, которые характеризуют Стрельца А*, и определить пространство и время вокруг него. «Это был бы совершенно другой уровень тестирования теории относительности», - говорит Эккарт.
Это исследование было представлено в статье «Обнаружение прецессии Шварцшильда на орбите звезды S2 вблизи массивной черной дыры в центре Галактики», появившейся в Astronomy & Astrophysics (DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 202037813).