Звезда и черная дыра — главные героини нового доказательства общей теории относительности Эйнштейна

  Безумная история из нашей собственной галактики.

Впервые в истории общая теория относительности Эйнштейна была подтверждена в новом контексте: в условиях сильнейшего гравитационного поля нашего Млечного пути — у Стрельца A* (Sgr A*), супермассивной черной дыры в его центре.

Более 26 лет наблюдений привели к долгожданному результату — в мае этого года звезда S2 максимально близко приблизилась к черной дыре и повела себя именно так, как предсказывает теория.

Это удивительно точное совпадение, которое удалось получить лишь благодаря удивительным технологиям, тщательным математическим вычислениям и неустанным наблюдениям.

“Это второй раз, когда мы увидели такой близкий подлед S2 к черной дыре в центре нашей галактики. И в этот раз, благодаря намного более сильным технологиям, мы могли наблюдать за звездой в беспрецедентном разрешении,” — говорит астрофизик Рейнхард Гензел из Института внеземной физики Общества Макса Планка.

“Мы усиленно готовились к этому событию на протяжении нескольких лет, и мы хотели получить максимум из этой уникальной возможности наблюдать эффекты общей относительности.”

На близкой орбите вокруг Sgr A*, масса которой примерно эквивалентна массе 4 миллионов Солнц, находятся три такие S-звезды(не путать со звездами S-типа). S2 (или S0–2), летящая по эллиптической орбите — является одной из двух звезд, которые максимально приближаются к перицентру черной дыры. 

Она приближается на расстояние 17 световых часов от центра галактики— это примерно четыре расстояния от Солнца до Нептуна.

Для нас такое расстояние кажется огромным, но когда речь идет о гравитационном притяжении супермассивной черной дыры, поверьте, это ОЧЕНЬ близко.

Эффект воздействия Sgr A* настолько силен, что он вызывает ускорение звезды до примерно 25 миллионов километров в час — 3% скорости света.

Согласно теории Эйнштейна, когда S2 находится настолько близко, гравитационное притяжение черной дыры должно растягивать свет звезды на более длинную волну, ближе к красному концу электромагнитного спектра. Этот феномен имеет название гравитационного красного смещения.

Вот только наблюдать за этим эффектом около черной дыры — не такая уж простая задача. Для начала, она расположена в 26,000 световых годах от нас. Более того, весь этот регион завуалирован плотным облаком пыли и газа, которое делает невозможным прямые наблюдения за светом в видимой части спектра.

Команда ученых использовала сразу несколько инструментов Очень большого телескопа (VLT) Европейской Южной Обсерватории, чтобы наблюдать за перицентром звезды. У SINFONI, GRAVITY и NACO есть инфракрасные сенсоры и сенсоры ближнего ИК-диапазона, которые способны улавливать ИК-излучение сквозь пыль.

Используя эти инструменты, команда измерила скорость звезды и построила модель ее орбиты вокруг Sgr A*.

Именно так ученые подсчитали точный момент, когда звезда максимально приблизится к черной дыре за весь свой 16-летний период вращения по орбите. В этот момент будет возможно наблюдать воздействие сильнейшей гравитации, и результаты совпали с ожиданиями.

Новые данные очень явно подтверждают красное смещение. И это первое в истории прямое наблюдение подобного эффекта около сверхмассивной черное дыры, которое, в который раз, подтверждает общую теорию относительности Эйнштейна.

 “Еще два года назад, во время первых наблюдений за S2 через GRAVITY, мы поняли, что это будет идеальной лабораторией по изучению черной дыры, — рассказвает Фрэнк Ейзенхауэр, астрофизик из Института внеземной физики, ведущий руководитель исследований на спектографах GRAVITY и SINFONI.

“Во время близкого подлета мы даже смогли рассмотреть слабое свечение вокруг черной дыры на большинстве фотографий, которое позволило нам точно отследить звезду на ее орбите, что и привело к обнаружению гравитационного красного смещения спектра S2.”

И это лишь последний в продолжительной и крайне впечатляющей чреде тестов, раз за разом доказывающих общую теорию относительности.

Совсем недавно такие доказательства вековой теории Эйнштейна предоставила звездная система из трех тел, целая галактика, искривляющая пространство и открытие гравитационных волн.

Читайте также: Чтобы проверить уравнения Эйнштейна, нужно ткнуть черную дыру

Зачем же тогда продолжать тесты, если все уже доказано?Потому что если найдутся условия, при которых теория не оправдается, это станет переломным моментом в нашем понимании Вселенной — нам понадобится новая форма физики. А если уж относительность действительно “сломается”, это скорее всего произойдет в экстремальных условиях.

Множество звезд, вращающихся около центра нашей черной дыры.

Здесь, в Солнечной системе мы можем проверить законы физики в реальном времени и в определенных условиях, — объясняет Франсуа Депланке, астрофизик из Европейской южной обсерватории. — Поэтому в астрономии крайне важно проверять, что законы выполняются там, где гравитационное поле значительно сильнее.”

В ближайшие пару лет команда надеется увидеть, как орбита S2 начнет немного отклонятся от той, которой она следовала 16 лет назад. Причиной будет феномен, предсказанный в общей теории относительности, и наблюдаемый даже в нашей Солнечной системе у Меркурия— процессия Шварцшильда (Schwarzschild precession), при которой ось орбиты звезды немного отклоняется на каждом витке. “Мы уже наблюдает это, но потребуется год или даже два, чтобы полностью подтвердить данные,” — добавляет Гензел. 

И, конечно, они попробуют засечь другие звезды, которые еще ближе пододят к черной дыре. Их орбиты могут помочь исследователей вычислить скорость вращения черной дыры.