Общая теория относительности впервые прошла проверку вблизи сверхмассивной чёрной дыры

Художественное представление прохождения звезды S2 вблизи сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути. К

Иллюстрация ESO/M. Kornmesser.

Изменение длины волны света, приходящего от S2, в точности согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна.

Иллюстрация ESO/L. Calçada/spaceengine.org.

Наблюдения, выполненные на Очень Большом Телескопе (VLT) ESO, впервые выявили предсказываемые общей теорией относительности Эйнштейна особенности движения звезды в крайне сильном гравитационном поле сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути. Долгожданный результат – значительное достижение продолжавшихся 26 лет наблюдений центра Галактики на телескопах ESO в Чили, сообщается на сайте организации.

В 26 тысячах световых лет от нас, в центре Млечного Пути, скрытая плотными облаками поглощающей свет пыли, лежит ближайшая к Земле сверхмассивная чёрная дыра. Этот гравитационный монстр массой в четыре миллиона Солнц окружён небольшой группой звёзд, 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 позволили астрономам отследить движение одной из этих звёзд, обозначаемой S2, когда она в мае 2018 года проходила очень близко к космическому монстру.

 

В ближайшей к чёрной дыре точке звезда находилась от неё на расстоянии менее 20 миллиардов километров и двигалась со скоростью свыше 25 миллионов километров в час, что составляет почти три процента скорости света.

Исследователи сравнили положения и скорости звезды S2, измеренные приёмниками GRAVITY и SINFONI, а также более ранние её 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.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже рассказывали вкратце об общей теории относительности. Эта теория, разработанная Эйнштейном в начале XX века, описывает пространство, время и движение в условиях сильной гравитации и/или движения с большими ускорениями, когда законы привычной ньютоновской механики становятся неприменимы.

 

"Уже во второй раз мы наблюдаем прохождение звезды S2 в непосредственной близости к чёрной дыре в центре нашей Галактики. Но в этот раз благодаря усовершенствованию параметров инструментов мы смогли наблюдать звезду с небывалым разрешением", — объясняет руководитель исследования Рейнхард Генцель из Института внеземной физики Макса Планка в Гархинге, Германия.

По его словам, они несколько лет интенсивно готовились к этому событию, так как хотели извлечь максимум информации из представившейся уникальной возможности наблюдать эффекты общей теории относительности.

Новые измерения ясно демонстрируют эффект, называемый гравитационным красным смещением: очень сильное гравитационное поле чёрной 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 чёрной дыры наблюдается впервые.

Изменение длины волны света, приходящего от S2, в точности согласуется с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна.

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 её орбиты производились с интерферометрическим инструментом GRAVITY.

Разрешение изображений, получаемых на GRAVITY, было так велико, что смещения положений звезды, находящейся на расстоянии 26000 световых лет от Земли, в окрестности чёрной дыры можно было измерять от ночи к ночи.

"Наши первые наблюдения S2 с приёмником GRAVITY, выполненные около двух лет назад, уже тогда показали, что мы получили идеальную лабораторию для исследования чёрной дыры", — говорит Франк Эйзенхауэр (Frank Eisenhauer), научный руководитель исследований с приёмником GRAVITY и спектрографом SINFONI.

Он отмечает, что во время сближения звезды с чёрной дырой они даже регистрировали на большинстве изображений слабое свечение вокруг чёрной дыры, которое позволяло точно отслеживать положение звезды на орбите. "А это в конце концов и привело к открытию гравитационного красного смещения в спектре S2", — добавляет он.

Франсуа Дельпланк (Françoise Delplancke), глава Отдела системной инженерии ESO, так объясняет значение новых наблюдений: "В нашей Солнечной системе мы можем проверять выполнение законов физики только в данный момент и при определённых 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 чёрной дыры, планируется продолжение наблюдений. Предполагается, что очень скоро удастся выявить и другой релятивистский эффект: незначительное вращение орбиты звезды, известное как прецессия Шварцшильда.

Результаты работы представлены в научном издании Astronomy & Astrophysics.

К слову, теорию Эйнштейна совсем недавно также проверили с помощью трёх отгоревших звёзд.