Pohyb hvězdy kolem superhmotné černé díry dává za pravdu Einsteinovi

ESO 006/20 tisková zpráva

Pozorování provedená dalekohledem ESO/VLT poprvé prokázala, že hvězda obíhající kolem superhmotné černé díry v centru naší Galaxie se pohybuje přesně tak, jak předpovídá Einsteinova obecná teorie relativity. Po mnoha obězích dráha hvězdy opíše v prostoru tvar připomínající květinu, nikoliv jednoduchou elipsu, jak říká Newtonova teorie gravitace. Dlouho očekávaný výsledek přinesla opakovaná měření prováděná se stále vyšší přesností posledních třicet let. Umožnila tak vědcům odhalit další tajemství obra ukrývajícího se v srdci Mléčné dráhy.

„Einsteinova obecná teorie relativity předpovídá, že dráha tělesa vázaného na oběžné dráze kolem jiného objektu není uzavřená, jako v Newtonově teorii gravitace, ale stáčí se směrem dopředu v rovině oběhu. Tento známý efekt – poprvé pozorovaný na dráze planety Merkur kolem Slunce – byl jedním z prvních důkazů podporujících obecnou teorii relativity. O sto let později se nám podařilo detekovat stejný efekt u hvězdy obíhající kompaktní rádiový zdroj Sagittarius A* ležící v samotném středu naší Galaxie. Tento pozorovatelský průlom umocňuje naše přesvědčení, že Sagittarius A* musí být superhmotná černá díra o hmotnosti čtyř milionů Sluncí,“ říká Reinhard Genzel, ředitel Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE, Garching, Německo) a hlavní architekt třicet let trvajícího programu, který přinesl tento významný výsledek.

Sagittarius A* se nachází asi 26 tisíc světelných let od Země a je obklopen skupinou hvězd. Představuje tak unikátní laboratoř pro testování fyziky v jinak nedostupných extrémních podmínkách silné gravitace. Jedna z těchto hvězd, označovaná S2, se k černé díře přibližuje na vzdálenost menší než 20 miliard kilometrů (což je asi 120krát více, než dělí Slunce a Zemi). Je tak nejbližším objektem na oběžné dráze kolem tohoto giganta, jaký byl dosud objeven. Při nejtěsnějším přiblížení k černé díře se hvězda S2 žene prostorem rychlostí dosahující 3 % rychlosti světla a celý oběh dokončí za zhruba 16 let. „Poté, co jsme pohyb hvězdy S2 pozorovali více než 25 let, umožnila nám naše měření spolehlivě detekovat Schwarzschieldovu precesi její dráhy kolem Sagittarius A*,“ říká Stefan Gillessen (MPE), který vedl analýzu měření publikovanou ve vědeckém časopise Astronomy & Astrophysics.

Planety a hvězdy se pohybují po nekruhových (eliptických) drahách a díky tomu se přibližují a vzdalují vzhledem k objektu, kolem kterého obíhají. Dráha hvězdy S2 se stáčí, což znamená, že poloha nejbližšího bodu na dráze kolem černé díry se mění. Každý další oběh je dráha pootočena vzhledem k předchozímu a těleso tak v prostoru postupně opisuje tvar připomínající květinu. Obecná relativita dává přesnou předpověď míry, s jakou se dráha stáčí, a poslední měření provedená v rámci tohoto výzkumu dokonale souhlasí s teorií. Efekt známý jako Schwarzchildova precese ještě nikdy nebyl změřen pro hvězdu obíhající kolem superhmotné černé díry.  

Výzkum pomocí dalekohledu ESO/VLT (Very Large Telescope) vědcům pomáhá zjistit nové informace o okolí superhmotné černé díry ležící ve středu naší Galaxie. „Jelikož měření polohy hvězdy S2 souhlasí s předpovědí obecné relativity velmi dobře, můžeme stanovit ostré limity ohledně množství neviditelné látky, například rozptýlené temné hmoty nebo možných menších černých děr, přítomné v blízkosti Sagitarrius A*. To je velmi důležité pro naše chápání vzniku a vývoje superhmotných černých děr,“ upozorňují Guy Perrin a Karine Perraut, vedoucí celého projektového týmu z Francie.

Tento výsledek je vrcholem 27 let trvajících opakovaných pozorování hvězdy S2, přičemž největší část měření byla získána pomocí několika generací přístrojů pracujících ve spojení s dalekohledem ESO/VLT na Observatoři Paranal v Chile. Počet bodů, ve kterých byla měřena pozice a rychlost hvězdy, svědčí o důkladnosti a pečlivosti celého výzkumu: celkem bylo získáno 330 měření přístroji GRAVITY, SINFONI a NACO. Jelikož hvězdě S2 trvá roky, než dokončí jeden oběh kolem černé díry, bylo nezbytné sledovat její polohu po téměř tři desetiletí, aby bylo možné odhalit komplexnost jejího pohybu.  

Výzkum prováděl mezinárodní tým vědců pod vedením Franka Eisenhauera (MPE) se spolupracovníky z Francie, Portugalska, Německa a ESO. Vznikla tak skupina ‚GRAVITY collaboration‘ pojmenovaná po přístroji, který společně vyvinuli pro interferometr VLTI. Ten dokáže zkombinovat světlo získané všemi čtyřmi osmimetrovými dalekohledy VLT a vytvořit tak superteleskop s rozlišením odpovídajícím primárnímu zrcadlu o průměru 130 m. Stejnému týmu se v roce 2018 podařilo pozorovat jiný efekt předpovězený obecnou teorií relativity: ukázali, že světlo hvězdy S2 bylo během průchodu kolem objektu Sagittarius A* posunuto do červené části spektra. „Náš předchozí výsledek prokázal, že záření hvězdy je ovlivňováno efekty, které popisuje obecná teorie relativity. Nyní jsme však ukázali, že jim podléhá i hvězda samotná,“ říká Paulo Garcia (Centre for Astrophysics and Gravitation, Portugalsko), jeden z vedoucích vědeckých pracovníků projektu GRAVITY.

Členové týmu jsou si jisti, že budoucí dalekohled ELT (Extremely Large Telescope) jim umožní spatřit mnohem slabší hvězdy obíhající ještě blíže Sagittarius A*. „Pokud budeme mít štěstí, mohli bychom najít i hvězdy, na které bude mít vliv i rotace černé díry,“ předpovídá Andreas Eckart (Cologne University), další z významných vědeckých pracovníků projektu. A to by znamenalo, že astronomové by mohli být schopni přímo měřit parametry rotace a hmotnost, které charakterizují objekt Sagittarius A* a definují vlastnosti časoprostoru v jeho okolí. „A to by byl opět úplně jiný ‚level‘ testování relativity,“ dodává Andreas Eckart.

Zdroj

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku “Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole” zveřejněném ve vědeckém časopise Astronomy & Astrophysics.

Složení týmu ‚GRAVITY Collaboration‘: R. Abuter (European Southern Observatory, Garching, Německo [ESO]), A. Amorim (Universidade de Lisboa - Faculdade de Ciências, Portugalsko a Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Portugalsko [CENTRA]), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Německo [MPE]), J.P. Berger (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, Francie [IPAG] a ESO), H. Bonnet (ESO), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Německo [MPIA]), V. Cardoso (CENTRA a CERN, Genève, Švýcarsko), Y. Clénet (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris, Meudon, Francie [LESIA], P.T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, Nizozemí a MPE), J. Dexter (Department of Astrophysical & Planetary Sciences, JILA, Duane Physics Bldg., University of Colorado, Boulder, USA a MPE), A. Eckart (1st Institute of Physics, University of Cologne, Německo [Cologne] a Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Německo), F. Eisenhauer (MPE), N. M. Förster Schreiber (MPE), P. Garcia (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugalsko a CENTRA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE, Departments of Physics and Astronomy, Le Conte Hall, University of California, Berkeley, USA), S. Gillessen (MPE), M. Habibi (MPE), X. Haubois (European Southern Observatory, Santiago, Chile [ESO Chile]), T. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (Cologne), A. Jiménez-Rosales (MPE), L. Jochum (ESO Chile), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO Chile), P. Kervella (LESIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Nowak (Institute of Astronomy, Cambridge, UK a LESIA), T. Ott (MPE), T. Paumard (LESIA), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (ESO, MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), J. Shangguan (MPE), S. Scheithauer (MPIA), J. Stadler (MPE), O. Straub (MPE), C. Straubmeier (Cologne), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Waisberg (Department of Particle Physics & Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Izrael a MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO) a S. Yazici (MPE, Cologne).

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace v Evropě, která v současnosti provozuje nejproduktivnější pozemní astronomické observatoře světa. ESO má 16 členských států: Belgie, Česko, Dánsko, Finsko, Francie, Irsko, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a dvojici strategických partnerů – Chile, která hostí všechny observatoře ESO, a Austrálii. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje VLT (Velmi velký dalekohled) a dva přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem světa, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem zařízení APEX a revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Observatoře Paranal, na hoře Cerro Armazones, staví ESO nový dalekohled ELT (Extrémně velký dalekohled) s primárním zrcadlem o průměru 39 m, který se stane „největším okem lidstva hledícím do vesmíru“. 

Odkazy

• vědecký článek
• snímky dalekohledu VLT
• webové stránky MPE GRAVITY
• pro vědce: váš článek v tiskové zprávě ESO

Kontakty

Soňa Ehlerová; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: eson-czech@eso.org

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Reinhard Genzel; Director, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 30000 3280; Email: genzel@mpe.mpg.de

Stefan Gillessen; Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 30000 3839; Mobil: +49 176 99 66 41 39; Email: ste@mpe.mpg.de

Frank Eisenhauer; Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 30000 3563; Mobil: +49 162 3105080; Email: eisenhau@mpe.mpg.de

Paulo Garcia; Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto and Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Portugal; Porto, Portugal; Mobil: +351 963235785; Email: pgarcia@fe.up.pt

Karine Perraut; IPAG of Université Grenoble Alpes/CNRS; Grenoble, France; Email: karine.perraut@univ-grenoble-alpes.fr

Guy Perrin; LESIA – Observatoire de Paris - PSL; Meudon, France; Email: guy.perrin@observatoiredeparis.psl.eu

Andreas Eckart; 1st Institute of Physics, University of Cologne; Cologne, Germany; Tel.: +49 221 470 3546; Email: eckart@ph1.uni-koeln.de

Bárbara Ferreira; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6670; Mobil: +49 151 241 664 00; Email: pio@eso.org