Observationer gjorda med ESO:s Very Large Telescope (VLT) har för första gången avslöjat att en stjärna som kretsar kring det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan rör sig precis som förutspått av Einsteins allmänna relativitetsteori. Dess bana är formad som en rosett och inte som en ellips som förutspåtts av Newtons gravitationsteori. Detta länge eftertraktade resultat möjliggjordes av allt mer exakta mätningar under nästan 30 år, som har gjort det möjligt för forskare att låsa upp mysterierna med den behemoth som lurar i hjärtat av vår galax.

"Einsteins allmänna relativitetsteori förutsäger att bundna banor för ett objekt runt ett annat inte är stängda, som i Newtonsk gravitation, men pressar framåt i rörelseplanet. Denna berömda effekt – som först sågs i planeten Merkurius omloppsbana runt solen – var det första beviset till förmån för allmän relativitet. Hundra år senare har vi nu upptäckt samma effekt i rörelsen av en stjärna som kretsar kring den kompakta radiokällan Sagittarius A* i mitten av Vintergatan. Detta observationsgenombrott stärker bevisen för att Skytten A* måste vara ett supermassivt svart hål på 4 miljoner gånger solens massa, säger Reinhard Genzel, Direktör vid Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching, Tyskland och arkitekten bakom det 30 år långa programmet som ledde till detta resultat.

Ligger 26 000 ljusår från solen, Skytten A* och den täta stjärnhopen runt den utgör ett unikt laboratorium för att testa fysik i ett annars outforskat och extremt tyngdläge. En av dessa stjärnor, S2, sveper in mot det supermassiva svarta hålet till ett närmaste avstånd mindre än 20 miljarder kilometer (hundratjugo gånger avståndet mellan solen och jorden), vilket gör den till en av de närmaste stjärnorna som någonsin hittats i omloppsbana runt den massiva jätten. När det närmaste det svarta hålet, S2 susar genom rymden med nästan tre procent av ljusets hastighet, fullborda en omloppsbana en gång vart 16:e år. "Efter att ha följt stjärnan i dess omloppsbana i över två och ett halvt decennier, våra utsökta mätningar upptäcker robust S2:s Schwarzschild-precession på sin väg runt Skytten A*, säger Stefan Gillessen på riksdagsledamot, som ledde analysen av mätningarna som publicerades i dag i tidskriften Astronomi &Astrofysik .

De flesta stjärnor och planeter har en icke-cirkulär bana och rör sig därför närmare och längre bort från föremålet de roterar runt. S2:s omloppsprecesser, vilket betyder att platsen för dess närmaste punkt till det supermassiva svarta hålet ändras för varje varv, så att nästa omloppsbana roteras i förhållande till den föregående, skapa en rosettform. Allmän relativitet ger en exakt förutsägelse av hur mycket dess omloppsbana förändras och de senaste mätningarna från denna forskning stämmer exakt överens med teorin. Denna effekt, känd som Schwarzschild-precession, hade aldrig tidigare mätts för en stjärna runt ett supermassivt svart hål.

Studien med ESO:s VLT hjälper också forskare att lära sig mer om närheten av det supermassiva svarta hålet i mitten av vår galax. "Eftersom S2-mätningarna följer allmän relativitet så väl, vi kan sätta stränga gränser för hur mycket osynligt material, som distribuerad mörk materia eller möjliga mindre svarta hål, finns runt Skytten A*. Detta är av stort intresse för att förstå bildandet och utvecklingen av supermassiva svarta hål, säger Guy Perrin och Karine Perraut, de franska ledande forskarna i projektet.

Detta resultat är kulmen på 27 års observationer av S2-stjärnan med hjälp av, för den bästa delen av denna tid, en flotta av instrument vid ESO:s VLT, ligger i Atacamaöknen i Chile. Antalet datapunkter som markerar stjärnans position och hastighet vittnar om grundligheten och noggrannheten i den nya forskningen:teamet gjorde över 330 mätningar totalt, använda GRAVITY, SINFONI och NACO instrument. Eftersom det tar år för S2 att kretsa runt det supermassiva svarta hålet, det var avgörande att följa stjärnan i nästan tre decennier, att reda ut krångligheterna i dess omloppsrörelse.

Forskningen utfördes av ett internationellt team ledd av Frank Eisenhauer från MPE med medarbetare från Frankrike, Portugal, Tyskland och ESO. Teamet utgör GRAVITY-samarbetet, uppkallad efter instrumentet de utvecklade för VLT-interferometern, som kombinerar ljuset från alla fyra 8-meters VLT-teleskop till ett superteleskop (med en upplösning som motsvarar den för ett teleskop på 130 meter i diameter). Samma lag rapporterade under 2018 en annan effekt som förutspåddes av General Relativity:de såg ljuset från S2 sträckas ut till längre våglängder när stjärnan passerade nära Skytten A*. "Vårt tidigare resultat har visat att ljuset som sänds ut från stjärnan upplever allmän relativitet. Nu har vi visat att stjärnan själv känner av effekterna av allmän relativitet, säger Paulo Garcia, en forskare vid Portugals centrum för astrofysik och gravitation och en av de ledande forskarna i GRAVITY-projektet.

Med ESO:s kommande Extremely Large Telescope, teamet tror att de skulle kunna se mycket svagare stjärnor som kretsar ännu närmare det supermassiva svarta hålet. "Om vi ​​har tur, vi kan fånga stjärnor tillräckligt nära för att de faktiskt känner rotationen, snurran, av det svarta hålet, säger Andreas Eckart från Kölns universitet, en annan av projektets ledande forskare. Detta skulle innebära att astronomer skulle kunna mäta de två kvantiteterna, snurra och massa, som kännetecknar Skytten A* och definierar rum och tid runt den. "Det skulle återigen vara en helt annan nivå av att testa relativitet, säger Eckart.

Denna forskning presenterades i artikeln "Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic Center massive black hole" för att dyka upp i Astronomi &Astrofysik .