Fekete lyuk körül mozgó csillag bizonyítja Einstein igazát

Az ESO Nagyon Nagy Távcsövével (VLT) végzett megfigyelések első alkalommal fedték fel, hogy egy szupernagy tömegű fekete lyuk körül, a Tejútrendszer központjában keringő csillag mozgása igazolja Einstein általános relativitáselméletét. Pályája rózsa alakú, nem pedig ellipszis, ahogy Newton gravitációs elmélete jósolta. Ezt a hatást, amit Schwarzschild-precesszióként ismerünk, még sosem mérték meg egy szupernagy tömegű fekete lyuk körül keringő csillag esetében. Ez a művészi illusztráció az egyszerűbb megjelenítés érdekében eltúlozva szemlélteti a csillag pályájának precesszióját

Az ESO Nagyon Nagy Távcsövével (VLT) végzett megfigyelések első alkalommal fedték fel, hogy egy, a Tejútrendszer központjában lévő, szupernagy tömegű fekete lyuk körül keringő csillag éppen úgy mozog, ahogy azt Einstein általános relativitáselmélete előre jelzi. Keringési pályája rózsa formájú, nem pedig ellipszis, ahogy azt Newton gravitációs elmélete jósolta. Ezt a régóta várt eredményt az elmúlt közel 30 év egyre pontosabb mérései tették lehetővé, amelyeknek köszönhetően a kutatók megfejthetik a galaxisunk szívében rejtőző óriás titkait.

„Einstein általános relativitáselmélete szerint két, egymás körül keringő égitest kötött pályája nem zárt, ahogy a newtoni gravitációs elmélet mondja, hanem a mozgás síkjában elfordul. Ez a híres hatás – amit először a Merkúr bolygó Nap körüli pályájánál láttunk – volt az első bizonyíték az általános relativitáselmélet mellett. Most, száz évvel később észleltük ugyanezt a jelenséget egy kompakt rádióforrás, a Sagittarius A* körül keringő csillagnál, a Tejútrendszer központjában.

Ez a felfedezés megerősíti, hogy a Sagittarius A* egy szupernagy tömegű fekete lyuk kell, hogy legyen, amely 4 milliószor nagyobb tömegű a Napnál."

– mondja Reinhard Genzel, a garchingi (Németország) Max Planck Űrfizikai Intézet (MPE) igazgatója, valamint annak a 30 éves programnak a tervezője, amely ehhez az eredményhez vezetett.

Az ESO Nagyon Nagy Távcsövével (VLT) végzett megfigyelések első alkalommal fedték fel, hogy egy szupernagy tömegű fekete lyuk körül, a Tejútrendszer központjában keringő csillag mozgása igazolja Einstein általános relativitáselméletét. Pályája rózsa alakú, nem pedig ellipszis, ahogy Newton gravitációs elmélete jósolta. Ezt a hatást, amit Schwarzschild-precesszióként ismerünk, még sosem mérték meg egy szupernagy tömegű fekete lyuk körül keringő csillag esetében. Ez a művészi illusztráció az egyszerűbb megjelenítés érdekében eltúlozva szemlélteti a csillag pályájának precesszióját Forrás: ESO/L. Calçada

A Naptól 26000 fényévre lévő Sagittarius A* és a körülötte lévő sűrű csillaghalmaz egyedülálló laboratórium az egyébként felderítetlen és elképesztő gravitációs rendszer fizikájának vizsgálatára. A csillagok egyike, az S2, kevesebb mint 20 milliárd kilométerre (ami a Nap és a Föld távolságának 120-ad része) söpör el a szupernagy tömegű fekete lyuk mellett, így ez a valaha talált legközelebbi csillag a hatalmas óriás körül.

Az S2 jelű csillag a fekete lyukhoz közeli elhaladásakor a fénysebesség majdnem 3 százalékával száguld, így 16 év alatt kerüli meg azt.

„Miután két és fél évtizeden át követtük a csillag pályáját, pontos méréseinkkel határozottan érzékeljük az S2 Schwarzschild-precesszióját a Sagittarius A* körüli útján." – mondja Stefan Gillessen, az MPE munkatársa, aki a mai napon az Astronomy & Astrophysics lapban közzétett elemzését vezette.

A csillagok és bolygók többségének nem kör alakú a pályája, így közelebb majd távolabb kerülnek az égitesttől, amely körül keringenek.

Az S2 pályája precesszál, ami azt jelenti, hogy pályájának a szupernagy tömegű fekete lyukhoz eső legközelebbi pontja minden fordulóban változik, a következő pálya az előzőhöz képest elmozdul, így rózsa formát képez.

Az általános relativitáselmélet pontosan előre jelzi, mennyiben változik a pályája, és a kutatás legutóbbi mérései igazolják az elméletet. A Schwarzschild-precesszióként ismert hatást még sosem mérték meg egy szupernagy tömegű fekete lyuk körül keringő csillag esetében.

Az ESO VLT műszerével végzett mérések abban is segítenek a kutatóknak, hogy többet tudjanak meg a galaxisunk központjában található szupernagy tömegű fekete lyuk környezetéről.

A fekete lyuk körül keringő összes csillag Forrás: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

„Mivel az S2-vel kapcsolatos mérések ilyen jól igazolják az általános relativitáselméletet, szigorú határértékeket szabhatunk meg a láthatatlan anyag mennyiségére, mint amilyen a Sagittarius A* környezetében eloszlott sötét anyag vagy a feltételezhető kisebb fekete lyukak.

Ez nagy jelentőséggel bír a szupernagy tömegű fekete lyukak kialakulásának és fejlődésének megértése szempontjából."

– mondják a projekt francia vezető kutatói, Guy Perrin és Karine Perraut.

Ez az eredmény az S2 jelű csillag 27 éves megfigyelésének csúcspontja, amely nagyrészt az ESO chilei Atacama-sivatagban található VLT műszerflottájával történt. A csillag helyzetét és sebességét jelző adatpontok száma az új kutatás alaposságát és pontosságát igazolja: a kutatócsoport összesen több mint 330 mérést végzett a GRAVITY, a SINFONI és a NACO műszerekkel. Mivel az S2-nek évekbe telik megkerülni a szupernagy tömegű fekete lyukat, alapvető fontosságú volt a csillag három évtizeden át történő nyomon követése, hogy kiderüljön, milyen jellegzetességekkel bír az orbitális mozgása.

A kutatást az MPE munkatársa, Frank Eisenhauer vezetésével egy nemzetközi kutatócsoport végezte, amelyben közreműködtek francia, portugál, német és az ESO küldötte kutatók is. A GRAVITY együttműködésnek keresztelt kutatócsoport a VLT interferométere számára fejlesztett műszerről kapta a nevét, amely a VLT négy darab, 8 méteres távcsövét egyesíti egy szupertávcsőben (amelynek felbontása így egy 130 méter átmérőjű távcsőével egyezik meg).

A látható fény tartományában rögzített nagy látószögű felvétel a Nyilas csillagkép ködökben gazdag vidékét ábrázolja a Tejútrendszer középpontjának irányában. A felvétel zsúfolva van csillagokkal, ám ennél is több csillag marad rejtve a porfelhők mögött – ezek csak infravörös tartományban láthatóak. A felvételt a Digitized Sky Survey 2 vörös és kék csatornájának képeiből állították össze. A látómező nagyjából 3,5 fok x 3,6 fok Forrás: ESO and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin and S. Guisard (www.eso.org/~sguisard)

Ugyanez a kutatócsoport jelentette be 2018-ban az általános relativitáselmélet egy másik igazolását: a kutatók tanúi voltak, ahogy az S2 fényének hullámhossza megnyúlt, amikor megközelítette a Sagittarius A*-ot.

Korábbi eredményünk igazolta, hogy a csillag által kibocsátott fényre érvényes az általános relativitáselmélet. Most kimutattuk, hogy maga a csillag is érzi az általános relativitáselmélet hatásait"

– mondja Paulo Garcia, a portugáliai Asztrofizikai és Gravitációs Központ kutatója, a GRAVITY projekt egyik vezető kutatója.

Az ESO készülő Rendkívül Nagy Távcsövével a kutatók talán olyan csillagokat is észlelhetnek, amelyek sokkal halványabbak, és még közelebb keringenek a szupernagy tömegű fekete lyukhoz.

Az ESO Paranal Obszervatóriumában működő VLT Égboltfelmérő Távcső (VLT Survey Telescope – VST) a chilei Atacama-sivatag ragyogóan derült egét pásztázza. A VST a látható fény tartományában jelenleg működő legnagyobb égboltfelmérő távcső Forrás: ESO/Y. Beletsky

„Ha szerencsések vagyunk, olyan közeli csillagokat is elkaphatunk, amelyek még a fekete lyuk forgását is érzik." – mondja Andreas Eckart, a Kölni Egyetem munkatársa, a projekt másik vezető kutatója. Ez azt jelentené, hogy a csillagászok a Sagittarius A* mindkét jellemzőjét, a forgását és a tömegét is megmérhetnék, amely meghatározza a körülötte lévő teret és időt. „Ez egy új szintje lenne a relativitáselmélet igazolásának." - mondja Eckart.