Первая успешная проверка общей теории относительности Эйнштейна вблизи сверхмассивной черной дыры

Наблюдения, выполненные на Очень Большом Телескопе ESO, впервые выявили предсказываемые общей теорией относительности Эйнштейна особенности движения звезды в крайне сильном гравитационном поле сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Этот долгожданный результат – высшее достижение продолжавшихся 26 лет наблюдений центра Галактики на телескопах ESO в Чили.

В 26 000 световых лет от нас, в центре Млечного Пути, скрытая плотными облаками поглощающей свет пыли, лежит ближайшая к Земле сверхмассивная черная дыра. Этот гравитационный монстр массой в четыре миллиона Солнц окружен небольшой группой звезд, которые обращаются вокруг него с высокой скоростью. Столь экстремальная среда — область самого сильного гравитационного поля в нашей Галактике — является идеальным местом для исследования физики тяготения, и в частности для проверки общей теории относительности Эйнштейна.

Новые инфракрасные наблюдения, выполненные с исключительно чувствительными приемниками GRAVITY [1], SINFONI и NACO на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) позволили астрономам отследить движение одной из этих звезд, обозначаемой S2, когда она в мае 2018 г. проходила очень близко к черной дыре. В ближайшей к черной дыре точке звезда находилась от нее на расстоянии менее 20 миллиардов километров и двигалась со скоростью свыше 25 миллионов километров в час, что составляет почти три процента скорости света [2].

Исследователи сравнили положения и скорости звезды S2, измеренные соответственно приемниками GRAVITY и SINFONI, а также более ранние ее наблюдения, выполненные с другими инструментами, с предсказаниями, сделанными на основе ньютоновской теории тяготения, общей теории относительности и другими теориями тяготения. Полученные результаты не согласуются с теорией Ньютона, но находятся в прекрасном соответствии с общей теорией относительности.

Наблюдения сверхвысокой точности были выполнены международной группой под руководством Рейнхарда Генцеля (Reinhard Genzel) из Института внеземной физики Макса Планка (MPE) в Гархинге (Германия), при участии специалистов всего мира: из Парижской обсерватории (PSL), Альпийского университета в Гренобле, CNRS, Института астрономии Макса Планка, Кельнского университета, Португальского Центра астрофизики и гравитации CENTRA и ESO. Эти наблюдения стали кульминацией 26-летнего цикла высокоточных наблюдений центра Млечного Пути с инструментами ESO [3].

“Уже во второй раз мы наблюдаем прохождение звезды S2 в непосредственной близости к черной дыре в центре нашей Галактики. Но в этот раз благодаря усовершенствованию параметров инструментов мы смогли наблюдать звезду с небывалым разрешением”, — объясняет Генцель. “Мы несколько лет интенсивно готовились к этому событию, так как хотели извлечь максимум информации из представившейся нам уникальной возможности наблюдать эффекты общей теории относительности”.

Новые измерения ясно демонстрируют эффект, называемый гравитационным красным смещением: очень сильное гравитационное поле черной дыры растягивает световые волны, испускаемые звездой, делает их более длинными. Изменение длины волны света, приходящего от S2, в точности согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна. Такое отклонение от более простой теории гравитации Ньютона в движении звезды вокруг сверхмассивной черной дыры наблюдается впервые.

Группа измеряла лучевую скорость S2 по направлению к и прочь от Земли при помощи приемника SINFONI, а сверхточные измерения изменений положения S2 для определения формы ее орбиты производились с интерферометрическим инструментом GRAVITY. Разрешение изображений, получаемых на GRAVITY, было так велико, что смещения положений звезды, находящейся на расстоянии 26 000 световых лет от Земли, в окрестности черной дыры можно было измерять от ночи к ночи.

“Наши первые наблюдения S2 с приемником GRAVITY, выполненные около двух лет назад, уже тогда показали, что мы получили идеальную лабораторию для исследования черной дыры”, — говорит Франк Эйзенхауэр (Frank Eisenhauer, MPE), научный руководитель исследований с приемником GRAVITY и спектрографом SINFONI. “Во время сближения звезды с черной дырой мы даже регистрировали на большинстве изображений слабое свечение вокруг черной дыры, которое позволяло нам точно отслеживать положение звезды на орбите. А это в конце концов и привело к открытию гравитационного красного смещения в спектре S2.”

Итак, спустя более, чем сто лет после того, как он опубликовал свою статью, в которой были выведены уравнения общей теории относительности, Эйнштейн еще раз подтвердил свою правоту — в лаборатории, гораздо более фантастической, чем он мог предположить!

Франсуа Дельпланк (Françoise Delplancke), глава Отдела системной инженерии ESO (System Engineering Department), так объясняет значение новых наблюдений: “В нашей Солнечной системе мы можем проверять выполнение законов физики только в данный момент и при определенных условиях. И поэтому для астрономии так важно убедиться, что эти законы выполняются и в случае гораздо более сильных гравитационных полей”.

Теперь, когда S2 начинает удаляться от черной дыры, планируется продолжение наблюдений. Предполагается, что очень скоро удастся выявить и другой релятивистский эффект: незначительное вращение орбиты звезды, известное как прецессия Шварцшильда.

Генеральный директор ESO Хавьер Барконс (Xavier Barcons) подводит итог: “ESO сотрудничает с Рейнхардом Генцелем, его группой и его сотрудниками из других институтов стран-участниц ESO уже более четверти века. Разработка уникальных мощных инструментов, необходимых для выполнения тончайших наблюдений, и установка их на телескоп VLT на Паранале была труднейшей технической и научной задачей. И открытие, о котором мы рассказываем сегодня, является великолепным результатом этого партнерства”.

Примечания
[1] Приемник GRAVITY был разработан в результате сотрудничества Института внеземной физики Макса Планка (Германия), группы LESIA из Парижской обсерватории – PSL / CNRS / университета Сорбонны / Парижского университета Дидро и IPAG из Альпийского университета в Гренобле / CNRS (Франция), Института астрономии Макса Планка (Германия), Кельнского университета (Германия), CENTRA–Центра астрофизики и гравитации (Португалия) и ESO.

[2] Звезда S2 обращается вокруг черной дыры с периодом 16 лет по очень эксцентричной орбите, двигаясь по которой она в ближайшей к черной дыре точке оказывается от нее на расстоянии не более двадцати миллиардов километров — примерно в 120 раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, или вчетверо больше, чем расстояние от Солнца до Нептуна. Это расстояние соответствует примерно 1500 шварцшильдовским радиусам самой черной дыры.

[2] Наблюдения центра Млечного Пути должны выполняться на длинных волнах (в данном случае, в инфракрасном диапазоне), так как облака пыли между Землей и центральной областью Галактики сильнейшим образом поглощают свет.

— Пресс-релиз: www.eso.org/pub…;
— Текст научной статьи: goo.gl/kbcxrP.

Твоим друзьям это понравится!