Τηλεσκόπιο του ESO επιβεβαιώνει τον Einstein, ανιχνεύοντας «χορό» άστρου γύρω από υπερμεγέθη μελανή οπή

της Λένας Λαμπροπούλου για SpaceGates

Παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το τηλεσκόπιο VLT (Very Large Telescope) του ESO αποκάλυψαν για πρώτη φορά ότι ένα άστρο σε τροχιά γύρω από την υπερμεγέθη μελανή οπή στο κέντρο του Γαλαξία μας κινείται όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein.




Η τροχιά του έχει σχήμα ρόδακα και όχι ελλειπτική, όπως προβλέπεται από την θεωρία της βαρύτητας του Newton. Σε αυτό το συμπέρασμα οδήγησαν αυξανόμενης ακρίβειας μετρήσεις διάρκειας σχεδόν άνω των τριάντα ετών, οι οποίες έδωσαν την δυνατότητα στους επιστήμονες να εξιχνιάσουν τα μυστήρια του μεγαθήριου που κρύβεται στην καρδιά του Γαλαξία μας.

Αυτό το διάγραμμα δείχνει την τοποθεσία του οπτικού πεδίου στο οποίο εντοπίζεται η πηγή Sagittarius A* – η μελανή οπή σημειώνεται με έναν κόκκινο κύκλο στον αστερισμό του Τοξότη (Sagittarius). Ο χάρτης αυτός περιλαμβάνει τα περισσότερα από τα άστρα που είναι εμφανή με γυμνό οφθαλμό υπό ιδανικές συνθήκες. Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope

“Η Γενική Σχετικότητα του Einstein προβλέπει ότι οι δέσμιες τροχιές ενός αντικειμένου γύρω από ένα άλλο δεν είναι κλειστές, όπως στην Νευτώνεια Βαρύτητα, αλλά μεταπίπτουν προς τα εμπρός στο επίπεδο κίνησης.


 Αυτό το διάσημο φαινόμενο -το οποίο πρώτη φορά παρατηρήθηκε στην τροχιά του πλανήτη Ερμή γύρω από τον Ήλιο- ήταν η πρώτη απόδειξη υπέρ της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Πλέον, ύστερα από εκατό χρόνια, έχουμε ανιχνεύσει το ίδιο φαινόμενο στην κίνηση ενός άστρου το οποίο βρίσκεται σε τροχιά γύρω από την συμπαγή πηγή ραδιοκυμάτων Sagittarius A* στο κέντρο του Γαλαξία μας. Αυτή η παρατηρησιακή ανακάλυψη ενισχύει τα αποδεικτικά στοιχεία υπέρ της πεποίθησης ότι η πηγή Sagittarius A* είναι μια υπερμεγέθης μελανή οπή με μάζα 4 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ήλιου,” αναφέρει ο Reinhard Genzel, Διευθυντής του Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) στο Garching της Γερμανίας και αρχιτέκτονας του προγράμματος που διήρκεσε τριάντα χρόνια και οδήγησε σε αυτό το αποτέλεσμα.
Σε απόσταση 26.000 ετών φωτός από τον Ήλιο, η πηγή Sagittarius A* και το πυκνό αστρικό σμήνος γύρω της αποτελούν ένα μοναδικό εργαστήριο στο οποίο μπορεί να μελετηθούν οι φυσικοί νόμοι σε ένα κατά τα άλλα ανεξερεύνητο και ακραίας έντασης βαρυτικό πεδίο. Ένα από αυτά τα άστρα, το S2, κινείται προς την κατεύθυνση της υπερμεγέθους μελανής οπής, φτάνοντας σε  ελάχιστη απόσταση από αυτήν λιγότερο από 20 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα (120 φορές η απόσταση μεταξύ Ήλιου και Γης), με αποτέλεσμα να είναι ένα από τα άστρα με τις πιο κοντινές τροχιές σε αυτή τη γιγαντιαία μάζα . Κατά τη διάρκεια της πλησιέστερης προσέγγισης της μελανής οπής, το S2 κινείται με ταχύτητα σχεδόν το 3% της ταχύτητας του φωτός στο κενό, συμπληρώνοντας μία τροχιά κάθε 16 χρόνια.
“Έχοντας παρακολουθήσει την τροχιά του άστρου για πάνω από δυόμιση δεκαετίες, οι εξαιρετικές μετρήσεις μας ανιχνεύουν δυναμικά την μετάπτωση Schwarzschild (Schwarzschild precession) του S2 στην τροχιά του γύρω από το Sagittarius A*,” αναφέρει ο Stefan Gillessen του MPE, ο οποίος ήταν επικεφαλής της ανάλυσης των μετρήσεων οι οποίες δημοσιεύτηκαν σήμερα στο περιοδικό Astronomy & Astrophysics.

Η προσομοίωση δείχνει τις τροχιές των άστρων πολύ κοντά στην υπερμεγέθη μελανή οπή στην καρδιά του Γαλαξία μας. Ένα από αυτά τα άστρα, το S2, ολοκληρώνει μία τροχιά κάθε 16 χρόνια και πέρασε πολύ κοντά από τη μελανή οπή τον Μάιο του 2018. Πρόκειται για ένα τέλειο εργαστήριο στο οποίο εξετάζονται οι φυσικοί νόμοι της βαρύτητας και ειδικότερα η Γενική Σχετικότητα του Einstein. Η έρευνα σχετικά με την τροχιά του S2 παρουσιάστηκε στη δημοσίευση από τη συνεργασία GRAVITY με τίτλο “Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole” , η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Astronomy & Astrophysics στις 26 Ιουλίου 2018. Credit: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το τηλεσκόπιο VLT (Very Large Telescope) της ESO αποκάλυψαν για πρώτη φορά ότι ένα άστρο σε τροχιά γύρω από την υπερμεγέθη μελανή οπή στο κέντρο του Γαλαξία μας κινείται όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein. Η τροχιά του έχει σχήμα ροδοειδές και όχι ελλειπτικό, όπως προβλέπεται από την θεωρία της βαρύτητας του Newton. Το φαινόμενο αυτό, γνωστό ως μετάπτωση Schwarzschild, δεν είχε πότε μελετηθεί για άστρο γύρω από υπερμεγέθη μελανή οπή. Σε αυτήν την καλλιτεχνική απεικόνιση της τροχιάς του άστρου, το φαινόμενο έχει μεγαλοποιηθεί για τη διευκόλυνση της αναπαράστασης. Credit: ESO/L. Calçada

Τα περισσότερα άστρα και πλανήτες δεν έχουν κυκλικές τροχιές και, κατά συνέπεια, πλησιάζουν και απομακρύνονται από αντικείμενο γύρω από το οποίο περιστρέφονται. Η τροχιά του S2 παρουσιάζει μετάπτωση, δηλαδή η θέση του κοντινότερου σημείου της τροχιάς του γύρω από την υπερμεγέθη μελανή οπή μεταβάλλεται σε κάθε τροχιά, με τέτοιο τρόπο ώστε η επόμενη τροχιά να διαγράφεται σε εξάρτηση με την προηγούμενη, δημιουργώντας ένα ροδοειδές σχήμα. Η Γενική Σχετικότητα παρέχει μια ακριβή πρόβλεψη σχετικά με το πόσο αλλάζει η τροχιά του και οι τελευταίες μετρήσεις από αυτήν την έρευνα ταιριάζουν ακριβώς με τη θεωρία. Το φαινόμενο αυτό, γνωστό ως μετάπτωση Schwarzschild, δεν είχε ποτέ πριν παρατηρηθεί σε ένα άστρο γύρω από μια υπερμεγέθη μελανή οπή.

Αυτή εικόνα ευρέως πεδίου στο ορατό φως δείχνει τα πλούσια αστρικά σύννεφα στον αστερισμό του Τοξότη (Sagittarius) προς την κατεύθυνση του κέντρου του Γαλαξία μας. Περιλαμβάνει τεράστιο αριθμό άστρων – ωστόσο πολύ περισσότερα παραμένουν κρυμμένα πίσω από σύννεφα σκόνης και αποκαλύπτονται μόνο στο υπέρυθρο. Δημιουργήθηκε από φωτογραφίες στο κόκκινο και μπλε φως και αποτελεί τμήμα του Digitized Sky Survey 2. Το οπτικό πεδίο είναι περίπου 3,5 ⁰ x 3,6 ⁰. Credit: ESO and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin and S. Guisard (www.eso.org/~sguisard)

Η μελέτη αυτή με το VLT του ESO βοηθά, επίσης, τους επιστήμονες να αποκτήσουν περισσότερες γνώσεις σχετικά με τη γειτονιά της υπερμεγέθους μελανής οπής στο κέντρο του Γαλαξία μας. “Εξαιτίας του γεγονότος ότι οι μετρήσεις του S2 συμφωνούν τόσο πολύ με τη Γενική Σχετικότητα, μπορούμε να θέσουμε αυστηρά όρια στο κατά πόσον αόρατη ύλη, όπως κατανεμημένη σκοτεινή ύλη ή πιθανές μικρότερες μελανές οπές, είναι παρούσα γύρω από το Sagittarius A*. Η γνώση αυτή είναι πολύ σημαντική για την κατανόηση του σχηματισμού και της εξέλιξης των υπερμεγέθων μελανών οπών,” αναφέρουν οι Guy Perrin και Karine Perraut, οι Γάλλοι επικεφαλής επιστήμονες του προγράμματος.
Το αποτέλεσμα αυτό είναι το προέκυψε από 27 έτη παρατηρήσεων του άστρου S2 με τη χρήση, για το καλύτερο μέρος αυτής της περιόδου, ενός συνόλου επιστημονικών οργάνων στο VLT της ESO, στην έρημο Atacama της Χιλής. Το πλήθος των δεδομένων που σηματοδοτούν τη θέση και την ταχύτητα του άστρου δείχνουν την πληρότητα και την ακρίβεια της νέας έρευνας: η ομάδα πραγματοποίησε συνολικά πάνω από 330 μετρήσεις, χρησιμοποιώντας τα όργανα GRAVITY, SINFONI και NACO. Επειδή το άστρο S2 χρειάζεται χρόνια για να ολοκληρώσει μια τροχιά γύρω από την υπερμεγέθη μελανή οπή, ήταν πολύ σημαντικό για τους επιστήμονες να παρακολουθήσουν το άστρο για σχεδόν τρεις δεκαετίες, για να κατορθώσουν να αποκαλύψουν τα περίπλοκα χαρακτηριστικά της τροχιακής κίνησής του.


Η έρευνα διεξήχθη από μία διεθνή ομάδα με την καθοδήγηση του Frank Eisenhauer του MPE, με συνεργάτες από τη Γαλλία, Πορτογαλία, Γερμανία και τo ESO. Η ομάδα αυτή συνιστά τη συνεργασία GRAVITY, η οποία πήρε το όνομά της από το όργανο που ανέπτυξαν για το συμβολόμετρο του VLT, το οποίο συνδυάζει την ακτινοβολία από τα τέσσερα τηλεσκόπια των 8 μέτρων του VLT σε ένα υπερ-τηλεσκόπιο (με ανάλυση ισοδύναμη με αυτήν ενός τηλεσκοπίου με διάμετρο 130 μέτρων). H ίδια ομάδα παρατήρησε το 2008 ένα ακόμη φαινόμενο που προβλέπεται από τη Γενική Σχετικότητα: είδαν το φως που ανίχνευσαν από το S2 να μετατίθεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, καθώς το άστρο πέρασε κοντά από το Sagittarius A*. “Το προηγούμενο αποτέλεσμά μας έδειξε ότι το εκπεμπόμενο φως από το άστρο επηρεάζεται από τη Γενική Σχετικότητα. Τώρα έχουμε δείξει ότι το ίδιο το άστρο αισθάνεται τις επιπτώσεις της Γενικής Σχετικότητας,” αναφέρει ο Paulo Garcia, ένας ερευνητής του Centre for Astrophysics and Gravitation της Πορτογαλίας και ένας από τους επικεφαλής επιστήμονες του προγράμματος GRAVITY.
Με το επικείμενο Extremely Large Telescope της ESO, η ομάδα πιστεύει ότι θα έχουν τη δυνατότητα να δουν πολύ πιο αμυδρά άστρα σε τροχιά ακόμη πιο κοντά στην υπερμεγέθη μελανή οπή. “Αν είμαστε τυχεροί, ίσως καταφέρουμε να ανιχνεύσουμε άστρα που βρίσκονται τόσο κοντά, ώστε να αισθάνονται την ιδιοπεριστροφή, τον στροβιλισμό της μελανής οπής,” αναφέρει ο Andreas Eckart του Cologne University, άλλος ένας επικεφαλής επιστήμονας του προγράμματος. Αυτό σημαίνει ότι οι αστρονόμοι θα είχαν τη δυνατότητα να μετρήσουν τις δύο ποσότητες, την ιδιοπεριστροφή και τη μάζα, που χαρακτηρίζουν το Sagittarius A* και καθορίζουν τον χώρο και τον χρόνο γύρω από αυτό. Σύμφωνα με τον Eckart, “Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα τελείως διαφορετικό επίπεδο είτε επιβεβαίωσης είτε ελέγχου θεωρίας της σχετικότητας”.

Μετάφραση από Λένα Λαμπροπούλου για SpaceGates
με διορθώσεις του καθηγητή του ΑΠΘ Χάρη Βάρβογλη

 του δελτίου τύπου του ESO 2006: https://www.eso.org/public/news/eso2006/

https://spacegates.wordpress.com/

Σχετικά βίντεο

ESOcast 219 Light: Star Dance Around Supermassive Black Hole

https://www.eso.org/public/videos/eso2006a/

Artist’s animation of S2’s precession effect

https://www.eso.org/public/videos/eso2006b/

Zooming in on the heart of the Milky Way

https://www.eso.org/public/videos/eso1825c/

The star S2 makes a close approach to the black hole at the centre of the Milky Way

https://www.eso.org/public/videos/eso1825d/

Interview with Reinhard Genzel (in English)

https://www.eso.org/public/videos/eso2006e/

Interview with Reinhard Genzel (in German)

https://www.eso.org/public/videos/eso2006f/
Περισσότερες πληροφορίες

Αυτή η έρευνα παρουσιάστηκε στη δημοσίευση “Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole” στο περιοδικό Astronomy & Astrophysics (DOI: 10.1051/0004-6361/202037813).

Η ομάδα της συνεργασίας GRAVITY αποτελείται από τους R. Abuter (European Southern Observatory, Garching, Germany [ESO]), A. Amorim (Universidade de Lisboa – Faculdade de Ciências, Portugal and Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Portugal [CENTRA]), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany [MPE]), J.P. Berger (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France [IPAG] and ESO), H. Bonnet (ESO), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany [MPIA]), V. Cardoso (CENTRA and CERN, Genève, Switzerland), Y. Clénet (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris, Meudon, France [LESIA], P.T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, The Netherlands and MPE), J. Dexter (Department of Astrophysical & Planetary Sciences, JILA, Duane Physics Bldg.,University of Colorado, Boulder, USA and MPE), A. Eckart (1st Institute of Physics, University of Cologne, Germany [Cologne] and Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany), F. Eisenhauer (MPE), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Garcia (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal and 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 and 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, Israel and MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO), and S. Yazici (MPE, Cologne).
Σύνδεσμοι
Research paper
Photos of the VLT
MPE GRAVITY webpage
For scientists: got a story? Pitch your research paper
Επαφές

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
Cell: +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
Cell: +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
Cell: +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
Cell: +49 151 241 664 00
Email: pio@eso.org

Connect with ESO on social media