Vyvrcholení 26 let trvající kampaně pozorování srdce naší Galaxie

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

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, SINFONI a NACO spolupracujících s dalekohledem ESO/VLT 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.

TIP:   Rover Curiosity objevil na Marsu dávnou oázu

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.

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. 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 presese.

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: Vědecká tisková zpráva ESO, foto: ESO/M. Kornmesser, ESO/L. Calçada/spaceengine.org, video: ESO. Doporučený odkaz: Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole | PDF