Звезда S2 и общая теория относительности

Звезда S2 и общая теория относительности

0
0

При помощи Очень Большого Телескопа астрономы Европейской Южной обсерватории (ESO) впервые выявили предсказываемые общей теорией относительности Эйнштейна особенности движения звезды в крайне сильном гравитационном поле сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Согласно пресс-релизу ESO, этот результат – высшее достижение продолжавшихся 26 лет наблюдений центра Галактики на телескопах ESO в Чили.

В 26 000 световых лет от нас, в центре Млечного Пути, скрытая плотными облаками поглощающей свет пыли, лежит ближайшая к Земле сверхмассивная черная дыра. Этот гравитационный монстр массой в четыре миллиона Солнц окружен небольшой группой звезд, которые обращаются вокруг него с высокой скоростью. Столь экстремальная среда — область самого сильного гравитационного поля в нашей Галактике — является идеальным местом для исследования физики тяготения, и в частности для проверки общей теории относительности Эйнштейна.

Новые инфракрасные наблюдения, выполненные с исключительно чувствительными приемниками GRAVITY, SINFONI и NACO на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) позволили астрономам отследить движение одной из этих звезд, обозначаемой S2, когда она в мае 2018 г. проходила очень близко к черной дыре. В ближайшей к черной дыре точке звезда находилась от нее на расстоянии менее 20 миллиардов километров и двигалась со скоростью свыше 25 миллионов километров в час, что составляет почти три процента скорости света. Звезда S2 обращается вокруг черной дыры с периодом 16 лет по очень эксцентричной орбите, двигаясь по которой она в ближайшей к черной дыре точке оказывается от нее на расстоянии не более двадцати миллиардов километров — примерно в 120 раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, или вчетверо больше, чем расстояние от Солнца до Нептуна. Это расстояние соответствует примерно 1500 шварцшильдовским радиусам самой черной дыры.

Исследователи сравнили положения и скорости звезды S2, измеренные соответственно приемниками GRAVITY и SINFONI, а также более ранние ее наблюдения, выполненные с другими инструментами, с предсказаниями, сделанными на основе ньютоновской теории тяготения, общей теории относительности и другими теориями тяготения. Полученные результаты не согласуются с теорией Ньютона, но находятся в прекрасном соответствии с общей теорией относительности.

Наблюдения сверхвысокой точности были выполнены международной группой под руководством Рейнхарда Генцеля (Reinhard Genzel) из Института внеземной физики Общества Макса Планка при участии специалистов всего мира: из Парижской обсерватории (PSL), Альпийского университета в Гренобле, CNRS, Института астрономии Макса Планка, Кельнского университета, Португальского Центра астрофизики и гравитации CENTRA и ESO. Эти наблюдения стали кульминацией 26-летнего цикла высокоточных наблюдений центра Млечного Пути с инструментами ESO.

«Уже во второй раз мы наблюдаем прохождение звезды S2 в непосредственной близости к черной дыре в центре нашей Галактики. Но в этот раз благодаря усовершенствованию параметров инструментов мы смогли наблюдать звезду с небывалым разрешением, – объясняет Генцель. – Мы несколько лет интенсивно готовились к этому событию, так как хотели извлечь максимум информации из представившейся нам уникальной возможности наблюдать эффекты общей теории относительности».

Новые измерения ясно демонстрируют эффект, называемый гравитационным красным смещением: очень сильное гравитационное поле черной дыры растягивает световые волны, испускаемые звездой, делает их более длинными. Изменение длины волны света, приходящего от S2, в точности согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна. Такое отклонение от более простой теории гравитации Ньютона в движении звезды вокруг сверхмассивной черной дыры наблюдается впервые.

Группа измеряла лучевую скорость S2 по направлению к и прочь от Земли при помощи приемника SINFONI, а сверхточные измерения изменений положения S2 для определения формы ее орбиты производились с интерферометрическим инструментом GRAVITY. Разрешение изображений, получаемых на GRAVITY, было так велико, что смещения положений звезды, находящейся на расстоянии 26 000 световых лет от Земли, в окрестности черной дыры можно было измерять от ночи к ночи.

«Наши первые наблюдения S2 с приемником GRAVITY, выполненные около двух лет назад, уже тогда показали, что мы получили идеальную лабораторию для исследования черной дыры, – говорит Франк Эйзенхауэр (Frank Eisenhauer), научный руководитель исследований с приемником GRAVITY и спектрографом SINFONI. – Во время сближения звезды с черной дырой мы даже регистрировали на большинстве изображений слабое свечение вокруг черной дыры, которое позволяло нам точно отслеживать положение звезды на орбите. А это в конце концов и привело к открытию гравитационного красного смещения в спектре S2».

Итак, спустя более, чем сто лет после того, как он опубликовал свою статью, в которой были выведены уравнения общей теории отнсительности, Эйнштейн еще раз подтвердил свою правоту — в лаборатории, гораздо более фантастической, чем он мог предположить!

Франсуа Дельпланк (Françoise Delplancke), глава Отдела системной инженерии ESO (System Engineering Department), так объясняет значение новых наблюдений: “В нашей Солнечной системе мы можем проверять выполнение законов физики только в данный момент и при определенных условиях. И поэтому для астрономии так важно убедиться, что эти законы выполняются и в случае гораздо более сильных гравитационных полей”.

Теперь, когда S2 начинает удаляться от черной дыры, планируется продолжение наблюдений. Предполагается, что очень скоро удастся выявить и другой релятивистский эффект: незначительное вращение орбиты звезды, известное как прецессия Шварцшильда.

Генеральный директор ESO Хавьер Барконс (Xavier Barcons) подводит итог: «ESO сотрудничает с Рейнхардом Генцелем, его группой и его сотрудниками из других институтов стран-участниц ESO уже более четверти века. Разработка уникальных мощных инструментов, необходимых для выполнения тончайших наблюдений, и установка их на телескоп VLT на Паранале была труднейшей технической и научной задачей. И открытие, о котором мы рассказываем сегодня, является великолепным результатом этого партнерства».

Результаты исследования представлены в статье за авторством международного коллектива GRAVITY Collaboration, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics.

Ранее этим летом работники Европейской Южной обсерватории сообщили о других наблюдениях, также подтвердивших теорию относительности. Они обнаружили, как галактика ESO 325-G004, действуя как сильная гравитационная линза, искривляет свет, идущий от расположенной за ней далекой галактики, и образует так называемое кольцо Эйнштейна.

Источник

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ