Denna konstnärs intryck visar stjärnans S2 väg när den passerar mycket nära det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan. När det kommer nära det svarta hålet gör det mycket starka gravitationen att stjärnans färg skiftar något till det röda, en effekt av Einsteins allmänna relativitetsteori. I den här grafiken har färgeffekten och storleken på objekten överdrivits för tydlighetens skull. Kredit:ESO/M. Kornmesser
Observationer gjorda med ESO:s Very Large Telescope har för första gången avslöjat effekterna som förutspåtts av Einsteins allmänna relativitetsteori på rörelsen hos en stjärna som passerar genom det extrema gravitationsfältet nära det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan. Detta länge eftersökta resultat representerar klimaxen av en 26 år lång observationskampanj med ESO:s teleskop i Chile.
Skymd av tjocka moln av absorberande damm, det supermassiva svarta hålet som ligger närmast jorden ligger 26 000 ljusår bort i Vintergatans centrum. Detta gravitationsmonster, som har en massa fyra miljoner gånger solens, är omgiven av en liten grupp stjärnor som kretsar runt den i hög hastighet. Denna extrema miljö - det starkaste gravitationsfältet i vår galax - gör det till den perfekta platsen att utforska gravitationens fysik, och särskilt för att testa Einsteins allmänna relativitetsteori.
Nya infraröda observationer från den utsökt känsliga GRAVITY, SINFONI- och NACO-instrument på ESO:s Very Large Telescope (VLT) har nu tillåtit astronomer att följa en av dessa stjärnor, kallas S2, när den passerade mycket nära det svarta hålet under maj 2018. På den närmaste punkten var denna stjärna på ett avstånd av mindre än 20 miljarder kilometer från det svarta hålet och rörde sig med en hastighet över 25 miljoner kilometer i timmen – nästan tre procent av ljusets hastighet.
Teamet jämförde positions- och hastighetsmätningarna från GRAVITY respektive SINFONI, tillsammans med tidigare observationer av S2 med andra instrument, med förutsägelserna om Newtonsk gravitation, allmän relativitetsteori och andra gravitationsteorier. De nya resultaten är oförenliga med Newtonska förutsägelser och i utmärkt överensstämmelse med förutsägelserna om allmän relativitet.
Detta diagram visar stjärnans S2 rörelse runt det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan. Den sammanställdes från observationer med ESO-teleskop och instrument under en period på mer än 25 år. Stjärnan tar 16 år att genomföra en omloppsbana och var mycket nära det svarta hålet i maj 2018. Observera att storleken på det svarta hålet och stjärnan inte är skalenlig. Kredit:ESO/MPE/GRAVITY Samarbete
Dessa extremt exakta mätningar gjordes av ett internationellt team ledd av Reinhard Genzel från Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching, Tyskland, i samarbete med samarbetspartners runt om i världen, vid Paris Observatory–PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max Planck Institute for Astronomy, universitetet i Köln, portugisiska CENTRA - Centro de Astro s sica e Gravitação och ESO. Observationerna är kulmen på en 26-årig serie av allt mer exakta observationer av Vintergatans centrum med hjälp av ESO-instrument.
"Detta är andra gången som vi har observerat den nära passagen av S2 runt det svarta hålet i vårt galaktiska centrum. Men den här gången, på grund av mycket förbättrad instrumentering, vi kunde observera stjärnan med oöverträffad upplösning, " förklarar Genzel. "Vi har förberett oss intensivt för denna händelse under flera år, eftersom vi ville göra det bästa av denna unika möjlighet att observera generella relativistiska effekter."
De nya mätningarna avslöjar tydligt en effekt som kallas gravitationsrödförskjutning. Ljus från stjärnan sträcks ut till längre våglängder av det mycket starka gravitationsfältet i det svarta hålet. Och förändringen i ljusets våglängd från S2 överensstämmer precis med den som förutspås av Einsteins allmänna relativitetsteori. Detta är första gången som denna avvikelse från förutsägelserna för den enklare Newtonska tyngdkraftsteorin har observerats i en stjärnas rörelse runt ett supermassivt svart hål.
Denna simulering visar stjärnornas banor mycket nära det supermassiva svarta hålet i hjärtat av Vintergatan. En av dessa stjärnor, heter S2, kretsar vart 16:e år och passerar väldigt nära det svarta hålet i maj 2018. Detta är ett perfekt laboratorium för att testa gravitationsfysik och specifikt Einsteins allmänna relativitetsteori. Kredit:ESO/L. Calçada/spaceengine.org
Teamet använde SINFONI för att mäta hastigheten för S2 mot och bort från jorden och GRAVITY-instrumentet i VLT Interferometer (VLTI) för att göra utomordentligt exakta mätningar av S2:s ändrade position för att definiera formen på dess omloppsbana. GRAVITY skapar så skarpa bilder att den kan avslöja stjärnans rörelse från natt till natt när den passerar nära det svarta hålet – 26 000 ljusår från jorden.
"Våra första observationer av S2 med GRAVITY, för ungefär två år sedan, har redan visat att vi skulle ha det ideala svarta hålslaboratoriet, " tillägger Frank Eisenhauer (MPE), Huvudutredare av GRAVITY och SINFONI-spektrografen. "Under den nära passagen, vi kunde till och med upptäcka den svaga glöden runt det svarta hålet på de flesta av bilderna, som gjorde det möjligt för oss att exakt följa stjärnan i dess bana, vilket slutligen leder till att gravitationsrödförskjutningen upptäcks i spektrumet av S2. "
Mer än hundra år efter att han publicerade sin artikel som ställde upp ekvationerna för allmän relativitet, Einstein har fått rätt än en gång – i ett mycket mer extremt laboratorium än han kunnat föreställa sig!
Françoise Delplancke, chef för avdelningen för systemteknik på ESO, förklarar betydelsen av observationerna:"Här i solsystemet kan vi bara testa fysikens lagar nu och under vissa omständigheter. Så det är mycket viktigt inom astronomi att också kontrollera att dessa lagar fortfarande är giltiga där gravitationsfälten är mycket starkare ."
Fortsatta observationer förväntas avslöja en annan relativistisk effekt mycket snart - en liten rotation av stjärnans bana, känd som Schwarzschild-precession – när S2 rör sig bort från det svarta hålet.
Xavier Barcons, ESO:s generaldirektör, avslutar:"ESO har arbetat med Reinhard Genzel och hans team och medarbetare i ESO:s medlemsstater i över ett kvarts sekel. Det var en enorm utmaning att utveckla de unikt kraftfulla instrument som behövs för att göra dessa mycket känsliga mätningar och att distribuera dem på VLT i Paranal. Upptäckten som tillkännages idag är det mycket spännande resultatet av ett anmärkningsvärt partnerskap."
