Předpovědi Einsteinovy obecné teorie relativity poprvé potvrzeny v blízkosti superhmotné černé díry

ESO 025/18 tisková zpráva

Vyvrcholení 26 let trvající kampaně pozorování srdce naší Galaxie

Pozorování pohybů hvězd v extrémním gravitačním poli superhmotné černé díry v centru naší Galaxie, která získal dalekohled ESO/VLT, poprvé odhalila efekty předpovězené Einsteinovou obecnou teorií relativity. Tento dlouho očekávaný výsledek představuje vyvrcholení pozorovací kampaně s teleskopy ESO v Chile trvající 26 let.

Nejbližší superhmotná černá díra se nachází ve vzdálenosti 26 tisíc světelných let od Země v centru naší Galaxie a je zahalena do hustých oblaků prachu. Monstrózní objekt o hmotnosti 4 milionů Sluncí je doprovázen malou skupinou hvězd, které kolem něj obíhají vysokou rychlostí. Prostředí s nejsilnějším gravitačním polem v Galaxii je dokonalou fyzikální laboratoří, která se hodí především k testování předpovědí Einsteinovy obecné teorie relativity – současné teorie gravitace.

Pozorování provedená v květnu 2018 v oboru infračerveného záření pomocí mimořádně citlivých přístrojů GRAVITY [1], SINFONI a NACO spolupracujících s dalekohledem ESO/VLT (Very Large Telescope) astronomům umožnila sledovat jednu z hvězd označenou S2 během přiblížení k černé díře. V nejbližším bodě své dráhy se hvězda nacházela méně než 20 miliard kilometrů od černé díry a pohybovala se rychlostí převyšující 25 milionů kilometrů za hodinu, což představuje asi 3 % rychlosti světla [2].

Členové vědeckého týmu srovnávali měření pozice a rychlosti pořízená pomocí GRAVITY respektive SINFONI i další údaje získané v rámci starších pozorování hvězdy S2 jinými přístroji s předpověďmi vypočtenými na základě Newtonovy klasické teorie gravitace, Einsteinovy obecné teorie relativity a dalších alternativních teorií gravitace. Získané výsledky jsou v rozporu s Newtonovou gravitací, ale velmi dobře souhlasí s předpovědí obecné relativity.

Mimořádně přesná měření získal mezinárodní tým pod vedením Reinharda Genzela (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, MPE, Garching, Německo) spolupracující s kolegy z celého světa (Paris Observatory–PSL; Université Grenoble Alpes; CNRS; Max Planck Institute for Astronomy; University of Cologne; Portuguese CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação a ESO). Tato pozorování představují vyvrcholení 26 let trvající kampaně zaměřené na sledování centra Galaxie se stále lepšími a přesnějšími přístroji ESO [3].

„Průlet hvězdy S2 v blízkosti superhmotné černé díry v centru Galaxie jsme pozorovali již podruhé. Tentokrát jsme však díky úžasnému zlepšení přístrojové techniky byli schopni hvězdu sledovat s opravdu mimořádnou přesností,“ vysvětluje Genzel. „Na tuto událost jsme se pečlivě připravovali několik let, z této mimořádné příležitosti k pozorování relativistických efektů jsme zkrátka chtěli vytěžit co nejvíce.“

Nová měření jasně odhalila efekt označovaný jako gravitační rudý posuv (gravitational redshift). Světlo hvězdy je velmi silným gravitačním polem černé díry nataženo na delší vlnovou délku. Pozorovaná změna vlnové délky záření přicházejícího od hvězdy S2 je v dokonalém souhlasu s předpovědí na základě Einsteinovy obecné teorie relativity. Je to vůbec poprvé, co se tuto odchylku od předpovědi klasické Newtonovy gravitace podařilo pozorovat při pohybu hvězdy kolem superhmotné černé díry.

K měření rychlosti pohybu hvězdy S2 ve směru k Zemi a od ní použili vědci přístroj SINFONI, zařízení GRAVITY pro interferometr VLTI pak provádělo mimořádně přesná poziční měření, aby bylo možné co nejpřesněji určit tvar její oběžné dráhy. Přístroj GRAVITY je ze Země (tedy na vzdálenost 26 tisíc světelných let) schopen pořizovat tak ostré záběry, že je na nich možné během těsného průletu hvězdy S2 kolem černé díry změřit změnu její polohy ze dne na den.

„Již naše první pozorování hvězdy S2 s přístrojem GRAVITY, která se uskutečnila zhruba před dvěma lety, jasně ukázala, že získáváme dokonalou laboratoř pro výzkum okolí černých děr,“ dodává Frank Eisenhauer (MPE), hlavní vědecký pracovník přístroje GRAVITY a spektrografu SINFONI. „Během fáze přiblížení bylo na většině snímků dokonce možné pozorovat slabou záři kolem černé díry, což nám umožnilo mnohem lépe sledovat hvězdu S2 při pohybu po její dráze a nakonec odhalit efekty gravitačního rudého posuvu v jejím spektru.“

Více než sto let poté, co Albert Einstein publikoval svoji práci, ve které představil rovnice obecné teorie relativity, se opět podařilo potvrdit správnost jeho myšlenek, a to v mnohem extrémnějším prostředí, než by si vůbec mohl představit!

Françoise Delplancke, vedoucí Oddělení systémového inženýrství ESO, vysvětluje význam těchto pozorování: „Ve Sluneční soustavě můžeme testovat zákony fyziky pouze v daných podmínkách. Pro astrofyziku je ale velmi důležité zjistit, zda stejné zákony platí také jinde, v mnohem silnějších gravitačních polích.“

Vědci předpokládají, že pokračující pozorování odhalí v blízké budoucnosti, během vzdalování hvězdy S2 od černé díry, i další relativistické efekty – například slabé stáčení její oběžné dráhy známé jako Schwarzschildova precese (Schwarzschild precession).

Xavier Barcons, generální ředitel ESO, dodává: „ESO spolupracuje na tomto projektu s Reinhardem Genzelem a jeho týmem i dalšími kolegy v členských státech ESO již více než čtvrt století. Byl to velmi obtížný úkol vyvinout mimořádně výkonné přístroje potřebné k provedení takto jemných měření a umožnit jejich použití ve spojení s dalekohledem ESO/VLT na observatoři Paranal. Dnes oznámený objev představuje vzrušující výsledek tohoto výjimečného partnerství.“

Zdroj

Poznámky

[1] Zařízení GRAVITY bylo vyvinuto ve spolupráci těchto subjektů: Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (Německo); LESIA of Paris Observatory–PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot a IPAG of Université Grenoble Alpes / CNRS (Francie); Max Planck Institute for Astronomy (Německo); University of Cologne (Německo); CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) a ESO.

[2] Hvězda S2 obíhá kolem černé díry v centru Galaxie jednou za 16 let po velmi protáhlé dráze. K černé díře se přibližuje na minimální vzdálenost asi 20 miliard kilometrů (to je 120krát dále než je Země od Slunce, nebo asi 4krát dále než je Neptun od Slunce). Tato vzdálenost je asi 1500krát větší než Shwarzschildův poloměr (Schwarzschild radius) samotné černé díry.  

[3] Pozorování středu Galaxie musejí být prováděna na delších vlnových délkách (v tomto případě v oboru infračerveného záření), neboť oblaky prachu ležící mezi Zemí a středem Galaxie silně absorbují viditelné světlo.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku „Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole“ autorů ‚ GRAVITY Collaboration‘, který byl zveřejněn 26. července 2018 ve vědeckém časopise Astronomy & Astrophysics. 

Tým ‚GRAVITY Collaboration‘: R. Abuter (ESO, Garching, Německo), A. Amorim (Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugalsko), N. Anugu (Universidade do Porto, Porto, Portugalsko), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Německo [MPE]), M. Benisty (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francie [IPAG]), J.P. Berger (IPAG; ESO, Garching, Německo), N. Blind (Observatoire de Genève, Université de Genève, Versoix, Švýcarsko), H. Bonnet (ESO, Garching, Německo), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Německo [MPIA]), A. Buron (MPE), C. Collin (LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Meudon, Francie [LESIA]), F. Chapron (LESIA), Y. Clénet (LESIA), V. Coudé du Foresto (LESIA), P. T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, Nizozemí; MPE), C. Deen (MPE), F. Delplancke-Ströbele (ESO, Garching, Německo), R. Dembet (ESO, Garching, Německo; LESIA), J. Dexter (MPE), G. Duvert (IPAG), A. Eckart (University of Cologne, Cologne, Německo; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Německo), F. Eisenhauer (MPE), G. Finger (ESO, Garching, Německo), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Fédou (LESIA), P. Garcia (Universidade do Porto, Porto, Portugalsko), R. Garcia Lopez (MPIA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE; University of California, Berkeley, California, USA), S. Gillessen (MPE), P. Gordo (Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugalsko), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), M. Haug (ESO, Garching, Německo), F. Haußmann (MPE), Th. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (University of Cologne, Cologne, Německo), Z. Hubert (LESIA; MPIA), N. Hubin (ESO, Garching, Německo), A. Jimenez Rosales (MPE), L. Jochum (ESO, Garching, Německo), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO, Santiago, Chile), S. Kellner (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Německo), S. Kendrew (MPIA, ESA), P. Kervella (LESIA; MPIA), Y. Kok (MPE), M. Kulas (MPIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), B. Lazareff (IPAG), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Lippa (MPE), R. Lenzen (MPIA), A. Mérand (ESO, Garching, Německo), E. Müller (ESO, Garching, Německo; MPIA), U. Neumann (MPIA), T. Ott (MPE), L. Palanca (ESO, Santiago, Chile), T. Paumard (LESIA), L. Pasquini (ESO, Garching, Německo), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (MPE), P.M. Plewa (MPE), S. Rabien (MPE), J. Ramos (MPIA), C. Rau (MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), R.-R. Rohloff (MPIA), G. Rousset (LESIA), J. Sanchez-Bermudez (ESO, Santiago, Chile; MPIA), S. Scheithauer (MPIA), M. Schöller (ESO, Garching, Německo), N. Schuler (ESO, Santiago, Chile), J. Spyromilio (ESO, Garching, Německo), O. Straub (LESIA), C. Straubmeier (University of Cologne, Cologne, Německo), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), K.R.W. Tristram (ESO, Santiago, Chile), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Wank (University of Cologne, Cologne, Německo), I. Waisberg (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), M. Wiest (University of Cologne, Cologne, Německo), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Německo), S. Yazici (MPE; University of Cologne, Cologne, Německo), D. Ziegler (LESIA) a G. Zins (ESO, Santiago, Chile).

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace v Evropě, která v současnosti provozuje nejproduktivnějších pozemní astronomické observatoře světa. ESO má 15 členských států: Belgie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, 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 Velmi velký dalekohled VLT 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 (Extremely Large Telescope) s primárním zrcadlem o průměru 39 m, který se stane „největším okem lidstva hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• Odborný článek v časopise Astronomy & Astrophysics
• Preprint článku v A&A
• Snímky dalekohledu VLT
• GRAVITY - webové stránky Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
• První úspěšná pozorování centra Galaxie pomocí GRAVITY (tisková zpráva eso1622)

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

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

Frank Eisenhauer; GRAVITY Principal Investigator, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 (89) 30 000 3563; Email: eisenhau@mpe.mpg.de

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

Richard Hook; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: pio@eso.org

Hannelore Hämmerle; Public Information Officer, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 (89) 30 000 3980; Email: hannelore.haemmerle@mpe.mpg.de