I mitten av vår galax, ungefär 26, 000 ljusår från jorden, ligger det supermassiva svarta hålet (SMBH) känt som Skytten A*. Mäter 44 miljoner km tvärs över, detta föremål är ungefär 4 miljoner gånger så massivt som vår sol och utövar en enorm gravitationskraft. Eftersom astronomer inte kan upptäcka svarta hål direkt, dess existens har till stor del bestämts utifrån den effekt den har på den lilla grupp stjärnor som kretsar runt den.

I det här avseendet, forskare har funnit att observation av Skytten A* är ett effektivt sätt att testa gravitationens fysik. Till exempel, under loppet av att observera dessa stjärnor, ett team av tyska och tjeckiska astronomer noterade subtila effekter orsakade av det svarta hålets gravitation. Därvid, de kunde ännu en gång bekräfta några av förutsägelserna som gjorts av Einsteins berömda teori om allmän relativitet.

Deras studie, med titeln "Undersöka den relativistiska rörelsen av stjärnorna nära det supermassiva svarta hålet i Galactic Center", publicerades nyligen i Astrofysisk tidskrift . Som framgår av det, teamet tillämpade nya analystekniker på befintliga observationer som gjorts av European Southern Observatorys (ESO) Very Large Telescope (VLT) och andra teleskop under de senaste 20 åren.

Från detta, de mätte banorna för stjärnorna som kretsar kring Skytten A* för att testa förutsägelser gjorda av klassisk newtonsk fysik (d.v.s. universell gravitation), samt förutsägelser baserade på allmän relativitet. Vad de fann var att en av stjärnorna (S2) visade avvikelser i sin omloppsbana som trotsade den förra, men var förenliga med det senare.

Denna stjärna, som har 15 gånger massan av vår sol, följer en elliptisk bana runt SMBH, fullbordar en enda omloppsbana på cirka 15,6 år. Närmast, det når inom 17 ljustimmar från det svarta hålet, vilket motsvarar 120 gånger avståndet mellan solen och jorden (120 AU). Väsentligen, forskargruppen noterade att S2 hade den mest elliptiska omloppsbanan av någon stjärna som kretsade kring det supermassiva svarta hålet.

De noterade också en liten förändring i dess omloppsbana - några procent i formen och ungefär en sjättedels grad i orientering. Detta kunde bara förklaras som att det berodde på de relativistiska effekterna orsakade av Skytten A* intensiv gravitation, som orsakar en precession i dess omloppsbana. Vad detta betyder är, den elliptiska slingan av S2:s omloppsbana roterar runt SMBH över tiden, med sin perihelpunkt riktad i olika riktningar.

Intressant nog, detta liknar den effekt som observerades i Merkurius bana – aka. "perihelionprecessionen av Merkurius" - under slutet av 1800-talet. Denna observation utmanade den klassiska newtonska mekaniken och fick forskare att dra slutsatsen att Newtons gravitationsteori var ofullständig. Det är också det som fick Einstein att utveckla sin teori om allmän relativitet, som gav en tillfredsställande förklaring till problemet.

Skulle resultaten av deras studie bekräftas, detta kommer att vara första gången som effekterna av allmän relativitet har beräknats exakt med hjälp av stjärnorna som kretsar runt ett supermassivt svart hål. Marzieh Parsa – doktorand vid universitetet i Köln, Tyskland och huvudförfattaren till tidningen – var förståeligt nog glada över dessa resultat. Som hon sa i ett pressmeddelande från ESO:

"Det galaktiska centret är verkligen det bästa laboratoriet för att studera stjärnors rörelse i en relativistisk miljö. Jag blev förvånad över hur väl vi kunde tillämpa de metoder vi utvecklade med simulerade stjärnor på högprecisionsdata för de innersta höghastighetsstjärnorna nära det supermassiva svarta hålet."

Denna studie möjliggjordes tack vare den höga noggrannheten hos VLT:s instrument; särskilt, den adaptiva optiken på NACO-kameran och SINFONI nära-infraröd spektrometer. Dessa instrument var avgörande för att spåra stjärnans närmande och retirera från det svarta hålet, vilket gjorde det möjligt för laget att exakt bestämma formen på sin bana och därmed bestämma de relativistiska effekterna på stjärnan.

Förutom den mer exakta informationen om S2:s omloppsbana, teamets analys gav också nya och mer exakta uppskattningar av Sagittarius A*-massan, samt dess avstånd från jorden. Detta kan öppna upp nya forskningsvägar för detta och andra supermassiva svarta hål, samt ytterligare experiment som kan hjälpa forskare att lära sig mer om gravitationens fysik.

Resultaten gav också en förhandstitt på de mätningar och tester som kommer att ske nästa år. Under 2018, stjärnan S2 kommer att närma sig Skytten A* väldigt nära. Forskare från hela världen kommer att använda denna möjlighet för att testa GRAVITY-instrumentet, ett andra generationens instrument som nyligen installerades på Very Large Telescope Interferometer (VLTI).

Utvecklat av ett internationellt konsortium ledd av Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, detta instrument har genomfört observationer av Galactic Center sedan 2016. 2018, den kommer att användas för att mäta omloppsbanan för S2 med ännu större precision, vilket förväntas bli mest avslöjande. Just nu, astrofysiker kommer att försöka göra ytterligare mätningar av SMBH:s allmänna relativistiska effekter.

Bortom det, de hoppas också kunna upptäcka ytterligare avvikelser i stjärnans bana som kan antyda att det finns ny fysik! Med rätt verktyg tränade på rätt plats, och vid rätt tidpunkt, vetenskapsmän kan bara finna att till och med Einsteins teorier om gravitation inte var helt kompletta. Men under tiden, det ser ut som att den sene och store teoretiske fysikern hade rätt igen.