Dodano: 30 lipiec 2018r.

Einstein miał rację. Udany test Ogólnej Teorii Względności w pobliżu czarnej dziury

Ogólna Teoria Względności Alberta Einsteina została potwierdzona w najbardziej ekstremalnym polu grawitacyjnym w Drodze Mlecznej – czyli w pobliżu supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum naszej galaktyki. Obserwowana od 26-lat gwiazda nazwana S2 zachowała się zgodnie z przewidywaniami Einsteina.

 

Supemyasywna czarna dziura znajdująca się w centrum naszej galaktyki - Sagittarius A* ma masę czterech milionów naszych Słońc. Znajduje się 26 tysięcy lat świetlnych od nas. Wokół niej z ogromną prędkością krąży grupa gwiazd. Takie ekstremalne warunki to idealne miejsce do badania fizyki grawitacyjnej.

Jedna z krążących tam gwiazd – nazwana S2 – w maju tego roku przeszła bardzo blisko Sagittariusa A*. Międzynarodowy zespół astronomów obserwował ją od 26 lat korzystając z instrumentów należącego do ESO (Europejskie Obserwatorium Południowe), w tym teleskopu VLT (Very Large Teleskope). Wyniki ich badań ukazały się na łamach "Astronomy & Astrophysics".

S2 okrąża supemyasywną czarną dziurę co 16 lat. Jednak obserwacje centrum galaktyki nie należą do łatwych, ponieważ widok przesłaniają obłoki gazów i pyłów. Astronomowie już raz mogli obserwować przejście gwiazdy w pobliżu Sagittariusa A*, ale tym razem mieli do dyspozycji znaczne lepsze instrumenty.  

 

- Po raz drugi zaobserwowaliśmy bliskie przejście S2 wokół czarnej dziury, ale tym razem, ze względu na znacznie ulepszoną aparaturę, byliśmy w stanie obserwować gwiazdę z niespotykaną dotąd rozdzielczością – powiedział astrofizyk Reinhard Genzel z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. - Od kilku lat intensywnie przygotowywaliśmy się do tego wydarzenia. Chcieliśmy wykorzystać tę wyjątkową okazję do zaobserwowania ogólnych efektów relatywistycznych – dodał.

Gwiazda S2 przechodząc w pobliżu czarnej dziury, w najbliższym punkcie znalazła się w odległości mniejszej niż 20 miliardów kilometrów od masywnego potwora – to odległość czterokrotnie większa niż odległość między Słońcem a Neptunem. Może to się wydawać ogromnym dystansem, i takim z pewnością jest, ale kiedy mamy do czynienia z czymś, co ma grawitacyjne przyciąganie supermasywnej czarnej dziury, to całkiem blisko.

S2 podczas przejścia w pobliżu supermasywnej czarnej dziury poruszała się z prędkością ponad 25 milionów kilometrów na godzinę – to blisko 3 proc. prędkości światła. Badacze, dzięki interferometrowi mogli śledzić położenie gwiazdy niemal w czasie rzeczywistym (z nocy na noc).

Kiedy S2 znalazła się tak blisko Sagittariusa A*, zgodnie z Ogólną Teorią Względności, grawitacyjne działanie czarnej dziury powinno rozciągać światło gwiazdy na dłuższe fale, w kierunku czerwonego końca widma elektromagnetycznego. I dokładnie tak się stało. Zmiana długości fal zgadza się idealnie z przewidywaniami Einsteina. To zjawisko zwane poczerwieniem grawitacyjnym. Przy okazji astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali odchyłki od przewidywań prostszej newtonowskiej teorii.

Obserwowanie tego zjawiska wokół Sgr A* jest nie lada wyczynem. Po pierwsze to 26 tys. lat świetlnych stąd. Ponadto obszar jest owinięty grubą chmurą pyłu, co uniemożliwia obserwacje w świetle widzialnym. Zespół astronomów korzystał z szeregu wyjątkowo czułych instrumentów pozwalających na obserwacje w podczerwieni  GRAVITY, SINFONI i NACO zainstalowanych na teleskopie VLT. Korzystając z tych przyrządów, zespół badawczy zmierzył prędkość i zmapował orbitę S2 podczas przelotu w pobliżu supermasywnej czarnej dziury.

- Nasze pierwsze obserwacje gwiazdy S2 za pomocą instrumentu GRAVITY przeprowadzone około dwa lata temu pokazały, że będziemy mieć idealne laboratorium czarnej dziury. Podczas bliskiego przejścia mogliśmy nawet wykryć słabą poświatę wokół czarnej dziury na większości obrazów, co pozwoliło nam precyzyjnie podążać za gwiazdą po jej orbicie, ostatecznie prowadząc do wykrycia zjawiska poczerwienienia grawitacyjnego w widmie S2 – wyjaśnił Frank Eisenhauer z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics.

Fot. ESO/M. Kommesser

To jednak nie koniec sprawdzania koncepcji Einsteina. Astrofizycy spodziewają się zaobserwować inny efekt relatywistyczny, gdy S2 będzie się oddalać od Sgr A*. Chodzi o niewielką rotację orbity gwiazdy znaną pod nazwą precesja Schwarzschilda.

Ogólna Teoria Względności opublikowana przez Einsteina w 1916 roku była wielokrotnie sprawdzana zarówno na naszej planecie, jak i w Układzie Słonecznym. Teraz przetestowano ją także w ekstremalnie silnych polach grawitacyjnych i znowu się sprawdziła.

„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!” – napisało ESO w komunikacie prasowym.

 

Źródło: ESO, Nature, fot. ESO/M. Kornmesser