26 év mérései igazolják Einstein elméletét a központi fekete lyuk környezetében

7497

Az Európai Déli Obszervatórium (ESO) Nagyon Nagy Távcsövével (Very Large Telescope – VLT)  végzett megfigyelések elsőként mutatták ki egy csillagnak a Tejútrendszer középpontjában helyet foglaló szupernagy tömegű fekete lyuk rendkívül erős gravitációs terében való mozgásában jelentkező, az Einstein általános relativitáselmélete által előrejelzett anomáliákat. Ezek a régóta várt eredmények az ESO chilei távcsöveivel 26 éve végzett megfigyeléssorozat megkoronázását jelentik.

A hozzánk legközelebbi, ám a fényt elnyelő sűrű porfelhők által eltakart szupernagy tömegű fekete lyuk a Tejútrendszer középpontjában, a Földtől 26 ezer fényév távolságra található. Ez a gravitációs szörnyeteg négymilliószor nagyobb tömegű a Napnál, és jó néhány csillag kering körülötte nagy sebességgel. Ez a rendkívüli környezet – a legerősebb gravitációs tér a galaxisunkban – kitűnő lehetőséget biztosít a gravitáció fizikájának tanulmányozására, Einstein általános relativitáselméletének tesztelésére.

A Tejútrendszer központi szupernagy tömegű fekete lyuka körül keringő legközelebbi csillagok keringési pályái. Forrás: ESO.

Az ESO VLT-n működő rendkívül érzékeny GRAVITY [1]SINFONI és NACO műszerek infravörös mérései segítségével a csillagászok követni tudták az S2 jelű csillag mozgását, amint 2018 májusában elhaladt a fekete lyuk közvetlen közelében. A legnagyobb közelség idején a csillag mindössze 20 milliárd kilométerre járt a fekete lyuktól, ahol több mint 25 millió km/h sebességgel –  a fénysebesség majdnem 3 százalékával – száguldott [2].

A csillagászok a GRAVITY és SINFONI pozícióméréseit az S2 korábbi, más műszerekkel történt megfigyeléseivel, és a newtoni, einsteini és egyéb gravitációelméletek előrejelzéseivel vetették össze. Az új megfigyelések eltérnek Newton elméletének előrejelzéseitől, ugyanakkor kitűnően egyeznek az általános relativitáselméletből számítottakkal.

A rendkívül pontos méréseket a németországi Garchingban működő Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) munkatársa, Reinhard Genzel által vezetett csillagászcsoport végezte. A csoportban részt vettek az Observatoire de Paris–PSL, a Université Grenoble AlpesCNRS, a Max-Planck-Institut für Astronomie, a Universität zu Köln, a CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação és az ESO kutatói is. A legfrissebb megfigyelések a Tejútrendszer középpontjának az ESO műszereivel történő 26 éves, mind pontosabbá váló méréssorozatának a megkoronázását jelentik [3].

„Most figyelhettük meg másodszor az S2 közeli áthaladását a központi fekete lyuk mellett. Ám ezúttal, az időközben rendkívül sokat fejlődött műszereknek köszönhetően minden korábbinál pontosabb pozícióméréseket tudtunk végezni,” – magyarázza Genzel. – „Az elmúlt évek során komolyan készültünk erre az eseményre, hiszen a lehető legtöbbet kívántuk kihozni az általános relativitáselmélet hatásainak megfigyelésére nyíló különleges lehetőségből.”

Az új mérések egyértelműen mutatják a gravitációs vöröseltolódás hatását. A fekete lyuk rendkívül erős gravitációs teréből távozó fény hullámhossza megnyúlik. Az S2 fényében tapasztalt hullámhossz-eltolódás pontosan egyezik azzal, amit Einstein általános relativitáselmélete előrejelez. Most először sikerült megfigyelni egy szupernagy tömegű fekete lyuk körül keringő csillag mozgásának az egyszerűbb newtoni gravitációelmélettől való eltérését.

Ez a fantáziarajz az S2 pályáját jelzi a Tejútrendszer középpontjában helyet foglaló szupernagy tömegű fekete lyuk közvetlen közelében. A megközelítés során a rendkívül erős gravitációs tér a csillag fényét Albert Einstein általános relativitáselméletének értelmében kicsivel vörösebbé változtatja. Az égitestek méretét és a színváltozást a jobb megfigyelhetőség érdekében eltúlozva ábrázolták. Forrás: ESO.

A kutatócsoport a SINFONI műszerrel mérte az S2 Földről megfigyelhető látóirányú sebességét, a GRAVITY nevű interferométerrel pedig az S2 látszó égi pozícióját követték rendkívül nagy pontossággal. Így kirajzolódott a mozgás pályája. A GRAVITY olyan éles képeket készített, amelyeken a fekete lyuk közvetlen közelében mozgó csillagnak az éjszakáról éjszakára való elmozdulása is látható – 26 000 fényévre a Földtől. „Az S2-ről a GRAVITY-vel mintegy két éve végzett első megfigyeléseink már jelezték, hogy egy ideális feketelyuk-laboratóriumot találtunk,” – teszi hozzá Frank Eisenhauer (MPE), A GRAVITY és SINFONI spektroszkópiai műszerek tudományos vezetője. – „A szoros megközelítésnek köszönhetően a legtöbb felvételen a fekete lyuk körüli halvány ragyogás is megfigyelhető, miáltal a csillag keringését még pontosabban tudtuk követni. Végső soron így voltunk képesek kimutatni az S2 spektrumában fellépő gravitációs vöröseltolódást.”

Az általános relativitáselmélet egyenleteit leíró cikkének publikálása után több mint 100 évvel Einstein elmélete újfent helyesnek bizonyult – egy olyan szélsőséges körülményeket biztosító laboratóriumban, amilyenről ő maga talán álmodni sem mert!

Françoise Delplancke, az ESO rendszermérnöki részlegének vezetője így világítja meg a megfigyelések rendkívüli jelentőségét: „Itt, a Naprendszerben a fizika törvényeit csak jelen időben, és csak bizonyos körülmények között tudjuk vizsgálni. Ezért olyan fontos a fizika törvényeinek próbára tétele sokkal erősebb gravitációs térben is.”

A megfigyelések persze tovább folytatódnak, amitől hamarosan egy további relativisztikus hatás – a csillag pályájának kicsiny elfordulása, a Schwarzschild-precessziónak a kimutatását várják a csillagászok. Ennek az S2 fekete lyuktól való távolodásával könnyen megfigyelhetővé kell majd válnia.

„Az ESO immár negyed százada működik együtt Reinhard Genzel kutatócsoportjának tagjaival, szerte az ESO tagországaiból. Komoly kihívást jelentett azoknak az egyedülállóan nagy teljesítményű műszereknek a kifejlesztése, amelyek a Paranal-hegyen működő VLT távcsövein lehetővé tették ezeket a kifinomult méréseket. A ma bejelentett felfedezés egy kimagasló együttműködés tetőpontját jelenti.” – foglalja össze Xavier Barcons, az ESO igazgatója.

Megjegyzés

[1] A GRAVITY műszert a német Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, a francia LESIA Observatoire de Paris–PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot és IPAG of Université Grenoble Alpes / CNRS, a német Max-Planck-Institut für Astronomie, a német Universität zu Köln, a portugál CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação, és az ESO közösen tervezték és építették meg.

[2] Az S2 erősen elnyúlt pályáján 16 év alatt kerüli meg a központi fekete lyukat, és a keringés során 20 milliárd kilométerre — a Nap—Föld távolság 120-szorosára, avagy a Nap—Neptunusz távolság négyszeresére — közelítik meg egymást. Ez a távolság a fekete lyuk Schwarzschild-sugarának mindössze 1500-szorosa.

[3] A Tejútrendszer központi vidékét a láthatónál hosszabb hullámhosszakon — jelen esetben infravörösben — tudjuk csak megfigyelni, hiszen a Föld és a galaxisunk középpontja között elhelyezkedő vastag porfelhők a látható fény legnagyobb részét elnyelik.

Forrás: ESO

A tudományos eredményeket bemutató szakcikk az Astronomy & Astrophysics folyóiratban jelent meg.

Hozzászólás

hozzászólás