Lehdistötiedote

Ensimmäinen onnistunut Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian testi lähellä supermassiivista mustaa aukkoa

Linnunradan ytimestä tehtyjen 26 vuoden ESO-havaintojen huippukohta

26. heinäkuuta 2018

ESO:n VLT-teleskoopilla tehdyt havainnot ovat ensimmäistä kertaa paljastaneet Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamat ilmiöt tähden liikkeessä sen kulkiessa Linnunradan keskustan supermassiivisen mustan aukon äärimmäisen painovoimakentän halki. Tämä kauan haettu tulos edustaa 26-vuotisen, ESO:n teleskooppeja Chilessä käyttäneen havaintokampanjan huipentumaa.

Paksujen absorboivien tomupilvien peittämä, Maata lähin supermassiivinen musta aukko sijaitsee 26 000 valovuoden etäisyydellä Linnunradan keskustassa. Tätä painovoimahirviötä, jonka massa on neljä miljoonaa Auringon massaa, ympäröi pieni joukko sitä suurella nopeudella kiertäviä tähtiä. Tämä äärimmäinen ympäristö — oman galaksimme voimakkain painovoimakenttä — saa sen täydelliseksi paikaksi tutkia painovoiman fysiikkaa ja erityisesti testata Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa.

Uusien, erinomaisen herkkien ESO:n VLT-teleskoopin (Very Large Telescope) GRAVITY- [1], SINFONI- ja NACO-havaintolaitteiden infrapunahavaintojen ansiosta tähtitieteilijät ovat seuranneet yhtä näistä tähdistä, nimeltään S2, sen kulkiessa hyvin läheltä mustaa aukkoa toukokuussa 2018. Lähimmillään tämä tähti oli alle 20 miljardin kilometrin etäisyydellä mustasta aukosta ja liikkui yli 25 miljoonan kilometrin tunnissa nopeudella, joka on lähes kolme prosenttia valon nopeudesta [2].

Tutkimusryhmä vertasi paikka- ja nopeusmittauksia GRAVITY- ja SINFONI-havaintolaitteista yhdessä aikaisempien, muilla havaintolaitteilla S2:sta tehtyjen havaintojen kanssa Newtonin painovoimateoriaan, yleiseen suhteellisuusteoriaan ja muihin painovoimateorioihin. Uudet tulokset eivät istu yhteen Newtonin ennustusten kanssa ja sopivat erinomaisesti yhteen yleisen suhteellisuusteorian ennustusten kanssa.

Nämä äärimmäisen tarkat mittaukset teki kansainvälinen ryhmä johtajanaan Reinhard Genzel (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), Garching, Saksa) yhdessä ympäri maailmaa olevien yhteistyökumppanien kanssa (Pariisin observatorio-PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max-Planck-Institut für Astronomie, Kölnin yliopisto, portugalilainen CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação ja ESO). Havainnot ovat 26-vuotisen, ESO:n havaintolaitteita käyttäneen, yhä tarkempia havaintoja Linnunradan keskustasta tehneen sarjan huipentuma [3].

"Tämä on toinen kerta, kun olemme havainneet S2:n lähiohituksen galaksimme keskustan mustan aukon kanssa. Tällä kertaa saatoimme paljon parantuneen havaintolaitekannan ansiosta havaita tähteä ennennäkemättömällä erotuskyvyllä," selittää Genzel. "Me olemme valmistautuneet kiivaasti tätä tapahtumaa varten useiden vuosien ajan, sillä me halusimme saada mahdollisimman paljon irti tästä ainutkertaisesta mahdollisuudesta havaita yleisen suhteellisuusteorian ilmiöitä."

Uudet mittaukset paljastavat selvästi painovoimapunasiirtymäksi kutsutun vaikutuksen. Tähden valo venyy pitemmille aallonpituuksille mustan aukon hyvin voimakkaassa painovoimakentässä. S2:n valon aallonpituuden muutos vastaa täsmälleen Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamaa. Tämä on ensimmäinen kerta, kun tämä ero Newtonin yksinkertaisemman painovoimateorian kanssa on havaittu tähden liikkeessä supermassiivisen mustan aukon ympärillä.

Tutkimusryhmä käytti SINFONI:a mitatakseen S2:n nopeuden kohti Maata ja poispäin siitä sekä VLT-interferometrin (VLTI) GRAVITY-havaintolaitetta tehdäkseen poikkeuksellisen tarkkoja mittauksia S2:n sijainnin muutoksista määrittääkseen sen kiertoradan muodon. GRAVITY saa aikaan niin tarkkoja kuvia, että se voi paljastaa tähden liikkeen yöstä toiseen sen kulkiessa lähellä mustaa aukkoa  — 26 000 valovuoden etäisyydellä Maapallosta.

"Ensimmäiset havaintomme S2:sta GRAVITY:llä, noin kaksi vuotta sitten osoittivat jo, että meillä olisi käsissämme täydellinen musta aukko -laboratorio," lisää Frank Eisenhauer (MPE), GRAVITY:n ja SINFONI-spektrografin päätutkija. "Lähiohituksen aikana me saatoimme jopa havaita mustaa aukkoa ympäröivän himmeän hohteen useimmissa kuvissa, minkä ansiosta me saatoimme seurata tähteä radallaan täsmällisesti, perimmältään johtaen painovoimapunasiirtymän havaitsemiseen S2:n spektrissä."

Yli sata vuotta sen jälkeen, kun Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteorian kaavat esitelleen tutkimusjulkaisunsa, hänen on jälleen kerran osoitettu olleen oikeassa — paljon äärimmäisemmässä laboratoriossa kuin hän olisi mitenkään voinut kuvitella!

Françoise Delplancke, ESO:n järjestelmätekniikan osaston johtaja selittää havaintojen merkittävyyttä: "Täällä aurinkokunnassa me voimme testata fysiikan lakeja vain nyt ja tietyissä olosuhteissa. Siten on tähtitieteelle hyvin tärkeätä myös tarkistaa, että nuo lait pätevät myös paljon voimakkaampien painovoimakenttien tapauksessa."

Jatkuvien havaintojen odotetaan paljastavan toisen relativistisen ilmiön hyvin pian — tähden kiertoradan Schwarzschildin prekessioksi kutsutun pienen kiertymän — S2:n kulkiessa loitommas mustasta aukosta.

Xavier Barcons, ESO:n pääjohtaja päättää: "ESO on työskennellyt Reinhard Genzelin ja hänen ryhmänsä sekä ESO:n jäsenmaita edustavien yhteistyökumppanien kanssa yli neljännesvuosisadan ajan. Oli valtava haaste kehittää näiden hyvin herkkien mittausten vaatimat ainutkertaisen tehokkaat havaintolaitteet ja ottaa ne käyttöön Paranalin VLT-teleskoopilla. Tänään julkistettu löytö on merkittävän kumppanuuden hyvin jännittävä tulos."

Lisähuomiot

[1] GRAVITY:n kehitti yhteistyöryhmä, johon kuuluvat Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (Saksa), Pariisin observatorion-PSL LESIA / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot ja Université Grenoble Alpes'n IPAG / CNRS (Ranska), Max-Planck-Institut für Astronomie (Saksa), Kölnin yliopisto (Saksa), CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugali) ja ESO.

[2] S2 kiertää mustaa aukkoa 16 vuoden jaksolla hyvin eksentrisellä kiertoradalla, joka tuo sen 20 miljardin kilometrin etäisyydelle — 120 Maan etäisyyttä Auringosta tai noin 4 kertaa Neptunuksen etäisyys Auringosta — lähimmillään mustaa aukkoa. Tämä etäisyys vastaa noin 1500 kertaa mustan aukon itsensä Schwarzschildin sädettä.

[3] Linnunradan keskustan havainnot täytyy tehdä pitemmillä aallonpituuksilla (tässä tapauksessa infrapunaisen alueella), sillä Maan ja keskusalueiden väliset tomupilvet absorboivat tehokkasti näkyvän valon.

Lisätietoa

Tätä tutkimusta on esitelty tutkimusjulkaisussa "Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole, jonka kirjoitti GRAVITY-yhteistyöryhmä. Julkaisu ilmestyy julkaisusarjassa Astronomy & Astrophysics 26.7.2018.

GRAVITY-yhteistyöryhmään kuuluvat R. Abuter (ESO, Garching, Saksa), A. Amorim (Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugali), N. Anugu (Universidade do Porto, Porto, Portugali), M. Bauböck (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Saksa [MPE]), M. Benisty (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Ranska [IPAG]), J.P. Berger (IPAG; ESO, Garching, Saksa), N. Blind (Observatoire de Genève, Université de Genève, Versoix, Sveitsi), H. Bonnet (ESO, Garching, Saksa), W. Brandner (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Saksa [MPIA]), A. Buron (MPE), C. Collin (LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Meudon, Ranska [LESIA]), F. Chapron (LESIA), Y. Clénet (LESIA), V. Coudé du Foresto (LESIA), P. T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, Alankomaat; MPE), C. Deen (MPE), F. Delplancke-Ströbele (ESO, Garching, Saksa), R. Dembet (ESO, Garching, Saksa; LESIA), J. Dexter (MPE), G. Duvert (IPAG), A. Eckart (Kölnin yliopisto, Köln, Saksa; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Saksa), F. Eisenhauer (MPE), G. Finger (ESO, Garching, Saksa), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Fédou (LESIA), P. Garcia (Universidade do Porto, Porto, Portugal), R. Garcia Lopez (MPIA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE; University of California, Berkeley, California, USA), S. Gillessen (MPE), P. Gordo (Universidade de Lisboa, Lissabon, Portugali), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), M. Haug (ESO, Garching, Saksa), F. Haußmann (MPE), Th. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (Kölnin yliopisto, Köln, Saksa), Z. Hubert (LESIA; MPIA), N. Hubin (ESO, Garching, Saksa), A. Jimenez Rosales (MPE), L. Jochum (ESO, Garching, Saksa), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO, Santiago, Chile), S. Kellner (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Saksa), S. Kendrew (MPIA, ESA), P. Kervella (LESIA; MPIA), Y. Kok (MPE), M. Kulas (MPIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), B. Lazareff (IPAG), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Lippa (MPE), R. Lenzen (MPIA), A. Mérand (ESO, Garching, Saksa), E. Müller (ESO, Garching, Saksa; MPIA), U. Neumann (MPIA), T. Ott (MPE), L. Palanca (ESO, Santiago, Chile), T. Paumard (LESIA), L. Pasquini (ESO, Garching, Saksa), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (MPE), P.M. Plewa (MPE), S. Rabien (MPE), A. Ramírez (ESO, Chile), J. Ramos (MPIA), C. Rau (MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), R.-R. Rohloff (MPIA), G. Rousset (LESIA), J. Sanchez-Bermudez (ESO, Santiago, Chile; MPIA), S. Scheithauer (MPIA), M. Schöller (ESO, Garching, Saksa), N. Schuler (ESO, Santiago, Chile), J. Spyromilio (ESO, Garching, Saksa), O. Straub (LESIA), C. Straubmeier (Kölnin yliopisto, Köln, Saksa), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), K.R.W. Tristram (ESO, Santiago, Chile), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Wank (Kölnin yliopisto, Köln, Saksa), I. Waisberg (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), M. Wiest (Kölnin yliopisto, Köln, Saksa), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Saksa), S. Yazici (MPE; Kölnin yliopisto, Köln, Saksa), D. Ziegler (LESIA) ja G. Zins (ESO, Santiago, Chile).

ESO on Euroopan johtava hallitustenvälinen tähtitieteen organisaatio ja ylivoimaisesti maailman tieteellisesti tuotteliain tähtitieteellinen observatorio. ESO:lla on 15 jäsenmaata: Alankomaat, Belgia, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Portugali, Puola, Ranska, Ruotsi, Saksa, Suomi, Sveitsi, Tanska ja Tšekin tasavalta, joiden lisäksi Chile toimii laitteistojen sijoitusmaana ja Australia strategisena kumppanina. ESO toteuttaa kunnianhimoista ohjelmaa, joka keskittyy tehokkaiden maanpäällisten havaintovälineiden suunnitteluun, rakentamiseen ja käyttöön. Välineiden avulla tähtitieteilijät voivat tehdä merkittäviä tieteellisiä löytöjä. ESO:lla on myös johtava asema tähtitieteen tutkimuksen kansainvälisen yhteistyön edistämisessä ja organisoinnissa. ESO:lla on Chilessä kolme ainutlaatuista huippuluokan observatoriota: La Silla, Paranal ja Chajnantor. ESO:lla on Paranalilla VLT-teleskooppi (Very Large Telescope) ja siihen liittyvä, maailmanlaajuisesti johtava VLTI-interferometri, sekä kaksi kartoitusteleskooppia. VISTA toimii infrapuna-alueella ja VST-teleskooppi näkyvän valon aallonpituuksilla. ESO on myös merkittävä kumppani kahdessa Chajnantorin laitteistossa, APEX-teleskoopissa ja ALMA-teleskoopissa, joka on maailman suurin tähtitieteellinen projekti. Lähellä Paranalia sijaitsevalla Cerro Armazonesilla ESO rakentaa 39-metrin kokoista ELT-teleskooppia (Extremely Large Telescope), josta tulee “maailman suurin tähtitaivasta havainnoiva silmä”.

Linkit

• Tutkimusjulkaisu julkaisusarjassa Astronomy & Astrophysics
  
• Valokuvia VLT-teleskoopista
  
• Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik -tutkimuslaitoksen GRAVITY -WWW-sivut
  
• GRAVITY:n onnistuneet ensihavainnot Linnunradan keskustasta
  
• GRAVITY:n aikaisempia havaintoja

Yhteystiedot

Reinhard Genzel
Director, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 30000 3280
Sähköposti: genzel@mpe.mpg.de

Frank Eisenhauer
GRAVITY Principal Investigator, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 (89) 30 000 3563
Sähköposti: eisenhau@mpe.mpg.de

Stefan Gillessen
Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 30000 3839
Sähköposti: ste@mpe.mpg.de

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 89 3200 6655
Matkapuhelin: +49 151 1537 3591
Sähköposti: pio@eso.org

Hannelore Hämmerle
Public Information Officer, Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
Garching bei München, Germany
Puh.: +49 (89) 30 000 3980
Sähköposti: hannelore.haemmerle@mpe.mpg.de

Pasi Nurmi (Lehdistön yhteyshenkilö Suomi)
ESO Science Outreach Network ja University of Turku
Turku, Finland
Puh.: +358 29 4504 358
Sähköposti: eson-finland@eso.org

Connect with ESO on social media