Meddelande

Stjärnbanor prövar Einstein: nya belägg för relativitetsteorin skymtas kring Vintergatans centrala svarta hål

9 augusti 2017

Stjärnornas banor kring det supermassiva svarta hålet i mitten av vår galax visar för första gången tecken på de subtila skiftningarna som Einsteins allmänna relativitetsteori förutspår. Det framgår av en analys av mätningar som gjorts med bland annat ESO:s Very Large Telescope. Omloppsbanan för stjärnan S2 tycks avvika något från banan som beräknas enligt den klassiska fysiken. Det eggande resultatet ger en försmak av de allt noggrannare mätningar och tester av relativitetsteorin som kommer att utföras med hjälp av instrumentet GRAVITY när stjärnan passerar väldigt nära det svarta hålet under 2018.

I mitten av Vintergatan, 26 000 ljusår från jorden, ligger vårt närmsta supermassiva svarta hål. Detta monster, som har en massa fyra miljoner gånger solens, omges av en liten grupp av stjärnor som kretsar i hög fart i det starka gravitationsfältet runt det svarta hålet. Det är en perfekt miljö för att testa tyngdkraftens fysik och särskilt Einsteins allmänna relativitetsteori.

Nu har astronomer från Tyskland och Tjeckien tillämpat nya analysmetoder på de många observationer som gjorts av stjärnorna som kretsar kring Vintergatans svarta hål med hjälp av ESO:s Very Large Telescope (VLT) i Chile och andra teleskop under de senaste tjugo åren [1]. De jämför stjärnornas uppmätta omloppsbana med beräkningar utifrån klassisk newtonsk gravitation samt förutsägelser enligt Einsteins allmänna relativitetsteori.

Forskarna fann tecken på små förändringar i omloppsbanan hos en av stjärnorna, S2, som överensstämmer med den allmänna relativitetsteorin [2]. Förändringarna som kan tillskrivas den relativistiska effekten påverkar banans form bara till några få procent och ändrar banans orientering medbara en sjättedels grad [3]. Om det kan bekräftas är detta första gången som en mätning av styrkan hos den relativistiska effekten har kunnat göras för en stjärna i omloppsbana kring ett supermassivt svart hål.

Marzieh Parsa, doktorand vid Kölns universitet i Tyskland, är förstaförfattare till forskningsartikeln.

– Galaxens mitt är verkligen det bästa laboratoriet för att studera hur stjärnor rör sig i en relativistisk miljö. Jag blev häpen över hur väl det fungerade att tillämpa de metoderna som vi utvecklade för simulerade stjärnor på högprecisionsmätningarna av de innersta, snabba stjärnorna nära det supermassiva svarta hålet, berättar hon.

Nyckeln till studiens framgångar var de mycket noggranna positionsmätningarna som i sin tur varit möjliga tack vare VLT:s instrument för adaptiv optik vid kortvågigt infrarött ljus [4]. De var avgörande inte bara när stjärnan kom som allra närmast det svarta hålet. Mätningarna från då S2 låg längre bort från det svarta hålet möjliggjorde en exakt bestämning av banans form.

Andreas Eckart ledde forskarlaget vid Kölns universitet.

– Under vår analys insåg vi att för att kunna bestämma de relativistiska skiftningarna i S2:2 bana behöver man definitivt veta hela stjärnans bana med väldigt hög precision, kommenterar han.

Den nya analysen gav inte bara mer exakt information om stjärnan S2:s omloppsbana. Forskarna kunde göra en ny och mer tillförlitlig uppskattning av det svarta hålets massa och dess avstånd från jorden [5].

Medförfattaren Vladimir Karas vid Tjeckiska vetenskapsakademien i Prag är exalterad om framtiden.

– Detta öppnar upp en väg mot mer arbete med teori och experiment inom detta vetenskapsområde, säger han.

Efter denna analys börjar nu en spännande tid för de astronomer världen över som observerar Vintergatans mitt. Under 2018 kommer stjärnan S2 passera väldigt nära det supermassiva svarta hålet. Denna gång kommer instrumentet GRAVITY, som utvecklats av ett stort internationellt konsortium som leds av Max Planck-institutet för utomjordisk fysik i Garching, Tyskland [6], att vara installerad vid VLT Interferometer [7]. Med hjälp av instrumentet kommer stjärnans bana kunna mätas med mycket bättre noggrannhet än vad som är möjligt idag. GRAVITY, som redan nu gör högprecisionsmätningar av Vintergatans mitt, väntas då kunna tydligt avslöja de relativistiska skiftningarna i banorna. Dessutom kommer det att kunna leta efter avvikelser från allmänna relativitetsteorin som kan avslöja helt ny fysik.

Noter

[1] I studien användes mätningar i kortvågigt infrarött ljus med kameran NACO som nu finns vid VLT:s enhetsteleskop 1 (Antu) och den tredimensionella spektrometern SINFONI vid enhetsteleskop 4 (Yepun). Ytterligare publicerade mätningar som samlats in vid Keck Observatory användes också.

[2] S2 är en stjärna på 15 solmassor som har en elliptisk bana omkring det supermassiva svarta hålet. Under omloppstiden på 15,6 år kommer stjärnan som närmast bara 17 ljustimmar från det svarta hålet – det motsvarar cirka 120 gånger avståndet mellan solen och jorden.

[3] En liknande men mindre effekt syns också i Merkurius föränderliga bana i solsystemet, och den mättes också upp under sent 1800-tal. Det blev ett av de första tydliga tecken på att Newtons syn på gravitationen inte kunde förklara allt och att nya tillvägagångssätt och nya insikter krävdes för att förstå gravitationen i extrema miljöer. Detta ledde slutligen till att Einstein år 1915 publicerade sin allmänna relativitetsteori som antar att rumtiden är krökt.

Stjärnorna och planeters banor utvecklas annorlunda när man beräknar dem enligt den allmänna relativitetsteorin istället för den newtonska gravitationen. Förutsägelserna av de små ändringarna i banornas form och orientering med tiden är olika i de två teorierna. Därför kan man jämföra mätningarna för att testa hur väl den allmänna relativitetsteorin överensstämmer med verkligheten.

[4] Ett system för adaptiv optik kompenserar i realtid för förvrängningar i teleskopets synfält som uppstår på grund av den turbulenta atmosfären. Tack vare adaptiv optik kan teleskop uppnå en mycket högre vinkelupplösning (bildskärpa) som i princip endast begränsas av spegeldiametern och våglängden av ljuset som observerats.

[5] Teamet fann att det svarta hålet har en massa som är 4,2 miljoner gånger solens massa. Den ligger på ett avstånd av 8,2 kiloparsek från oss, det vill säga nästan 27 000 ljusår bort.

[6] Kölns universitet ingår i projektet som arbetar med GRAVITY (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity) och bidrar med strålkombinationsspektrometrar till systemet.

[7] GRAVITY såg första ljus tidigt under 2016 och observerar redan Vintergatans centrum.

Mer information

Forskningsresultaten presenteras i en artikel med titeln “Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center”, av M. Parsa m. fl. i tidskriften Astrophysical Journal.

Forskarteamet består av Marzieh Parsa och Andreas Eckart (I.Physikalisches Institut vid Kölns universitet, Tyskland; Max Planck Institutet för radioastronomi, Bonn, Tyskland), Banafsheh Shahzamanian (I.Physikalisches Institut vid Kölns universitet, Tyskland), Christian Straubmeier (I.Physikalisches Institut vid Kölns universitet, Tyskland), Vladimir Karas (Astronomiska institutet, Vetenskapliga akademien, Prag, Tjeckien), Michal Zajacek (Max Planck-institutet för radioastronomi, Bonn, Tyskland; I.Physikalisches Institut vid Kölns universitet, Tyskland) samt J. Anton Zensus (Max Planck-institutet för radioastronomi, Bonn, Tyskland).

ESO, Europeiska sydobservatoriet, är Europas främsta samarbetsorgan för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. Det stöds av 16 länder: Belgien, Brasilien, Danmark, Finland, Frankrike, Italien, Nederländerna, Polen, Portugal, Schweiz, Spanien, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Österrike. ESO:s ambitiösa verksamhet rör design, konstruktion och drift av avancerade markbaserade forskningsanläggningar som gör det möjligt för astronomer att göra banbrytande vetenskapliga upptäckter. ESO spelar dessutom en ledande roll i att främja och organisera samarbeten inom astronomisk forskning. ESO driver tre unika observationsplatser i Chile: La Silla, Paranal och Chajnantor. Vid Paranal finns Very Large Telescope, världens mest avancerade observatorium för synligt ljus, och två kartläggningsteleskop. VISTA arbetar i infrarött ljus och är världens största kartläggningsteleskop och VST (VLT Survey Telescope) är det största teleskopet som konstruerats enbart för att kartlägga himlavalvet i synligt ljus. ESO är en huvudpartner i ALMA, världens hittills största astronomiska projekt. Och på Cerro Armazones, nära Paranal, bygger ESO det extremt stora 39-metersteleskopet för synligt och infrarött ljus, ELT. Det kommer att bli ”världens största öga mot himlen”.

Länkar

• Forskningsartikeln i Astrophysical Journal.

• Tidiga observationer av Vintergatans centrum med VLT (eso0846, eso1151, eso1332 och eso1512)

• MPE:s hemsida om Vintergatans centrum

• Bilder på VLT

Kontakter

Robert Cumming, kontaktperson för ESO:s utåtriktade verksamhet i Sverige
Onsala rymdobservatorium
Sverige
Tel: 0317725500
Mobil: 070 493 3114
E-post: robert.cumming@chalmers.se

Marzieh Parsa
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Germany
Tel: +49(0)221/470-3495
E-post: parsa@ph1.uni-koeln.de

Andreas Eckart
I. Physikalisches Institut, Universität zu Köln
Köln, Germany
Tel: +49(0)221/470-3546
E-post: eckart@ph1.uni-koeln.de

Vladimir Karas
Astronomical Institute, Academy of Science
Prague, Czechia
Tel: +420-226 258 420
E-post: vladimir.karas@cuni.cz

Richard Hook
ESO Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Mobil: +49 151 1537 3591
E-post: rhook@eso.org