2017.08.15. - A központi fekete lyuk körül is működik a relativitáselmélet

Az ESO VLT távcsöveivel az elmúlt közel húsz év során rögzített adatok új elemzése szerint a Galaxis centrumát uraló szupernagy tömegű fekete lyuk közelében keringő csillagok pályáiban is kimutatható relativisztikus hatás.

A Tejútrendszer középpontjában, a Földtől 26 ezer fényév távolságban található a legközelebbi szupernagy tömegű fekete lyuk, amelynek tömege a Napénak körülbelül négymilliószorosa. A szörnyeteg közelében, annak nagyon erős gravitációs terében csillagok egy kis csoportja kering nagy sebességgel. A helyszín tökéletes környezetet biztosít a gravitációs elméletek, különösen Einstein általános relativitáselméletének teszteléséhez.

Ennek érdekében német és cseh csillagászok egy csoportja újra elemezte az elmúlt közel két évtized során a fekete lyuk körül keringő csillagokról az ESO VLT távcsőrendszerének egységeivel (UT1/Antu/NACO és UT4/Yepun/SINFONI), illetve a Keck teleszkópokkal gyűjtött adatokat. A kimért csillagpályákat összevetették a klasszikus newtoni gravitációs elmélet és az általános relativitáselmélet előrejelzéseivel is. Arra az eredményre jutottak, hogy az S2 jelű csillag mozgásában bekövetkező kicsiny változás összhangban áll a relativitáselmélet jóslataival. A központi fekete lyukat elnyúlt ellipszispályán körbejáró S2 tömege a Napénak nagyjából 15-szöröse, keringési periódusa 15,6 év, a fekete lyuktól mért legkisebb távolsága pedig 17 fényóra, ami csak 120-szorosa a Nap-Föld távolságnak. A relativisztikus hatások keringésről keringésre mindössze néhány százalékos változást okoznak a pálya alakjában, és körülbelül egyhatod foknyi eltérést a pálya fél nagytengelyének irányában. Hasonló, de sokkal kisebb hatás mutatkozik a Merkúr pályájában a Naprendszerben. A 19. század végén ennek kimérése volt az első jele annak, hogy a newtoni gravitációs törvény nem a végső megoldás, erős gravitációs terekben új megközelítés szükséges. Tulajdonképpen ez indította Einsteint a görbült téridő koncepcióján alapuló általános relativitáselmélet megalkotására, amellyel 1915-ben készült el. A csillagok és bolygók pályáinak fejlődésére, a pálya alakjában és irányában bekövetkező kicsiny változásokra a relativitáselmélet a newtoni elmélettől eltérő előrejelzést ad, a jóslatok pedig összevethetők a mérésekkel, így az elméletek tesztelhetők.

Az ESO VLT távcsőegyüttesének NACO műszerével a közeli infravörös tartományban készített felvétel a Tejútrendszer centrumáról. Az Sgr A* jelű szupernagy tömegű fekete lyuk pozícióját a narancssárga kereszt jelöli. Az S2 jelű csillag keringése során legközelebb 2018-ban közelíti meg legjobban a fekete lyukat, egyedülálló lehetőséget biztosítva az általános relativitáselmélet tesztelésére erős gravitációs térben.
[ESO/MPE/S. Gillessen et al.]

Az eredményeket bemutató cikk első szerzője, Marzieh Parsa, a kölni egyetem PhD hallgatójának magyarázata szerint a galaktikus centrum kiváló laboratórium annak tesztelésére, hogy a csillagok hogyan mozognak relativisztikus környezetben. A vizsgálatok során azt szerették volna megtudni, hogy a szimulált csillagokra kifejlesztett módszerük hogyan működik a szupernagy tömegű fekete lyukhoz legközelebbi, nagy sebességgel mozgó csillagokról gyűjtött valódi adatokkal.

A nagy pontosságú pozícióadatokat a VLT távcsöveinek a közeli infravörös tartományban működő, aktív optikai rendszerekkel megtámogatott műszerei szolgáltatták. A VLT fejlett adaptív optikai rendszerei lehetővé teszik, hogy a légkör zavaró hatását a lehető legkisebbre csökkentsék, így a távcsővel elérhető szögfelbontást (képélességet) gyakorlatilag csak a teleszkóp átmérője és a használt hullámhossz korlátozzák. A kiváló szögfelbontás nem csak akkor volt fontos, amikor az S2 legközelebb járt a fekete lyukhoz, hanem a pálya legtávolabbi pontjaiban is. A kutatócsoport vezetője, Andreas Eckart (Kölni Egyetem) szerint az itteni mérések a pálya pontos alakjának meghatározása szempontjából voltak kulcsfontosságúak.

Fantáziarajz három, a központi fekete lyuk (kék karika jelzi a helyzetét) közelében keringő csillag pályájáról.
[ESO/M. Parsa/L. Calçada]

Az S2 csillag pályájának pontos meghatározása mellett az új elemzés a fekete lyuk tömegére és távolságára is új, a korábbiaktól némileg eltérő, azoknál pontosabb értékeket szolgáltatott: 4,2 millió naptömeg és 8,2 kiloparszek, azaz majdnem 27 ezer fényév.

A grafika az S2 csillag központi fekete lyuk körüli pályájának ugyanazon szakaszán két egymást követő keringés alatt bekövetkező, relativisztikus hatások által okozott eltérést mutatja.
[ESO/M. Parsa/L. Calçada]

Az új elemzés kiváló felvezetés a 2018-as évhez, amikor az S2 csillag újra megközelíti a központi fekete lyukat. Erre az időszakra már a Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (Garching) által vezetett nemzetközi konzorcium GRAVITY nevű, a VLT Interferométeren 2016 óta működő műszere is teljes kapacitással fogja támogatni a méréseket, az eddigieknél sokkal pontosabb pozíció-meghatározásokat lehetővé téve. Az S2 GRAVITY-méréseitől nem csak azt várják a csillagászok, hogy még egyértelműbb bizonyítékát szolgáltassa az általános relativitáselméletnek, hanem azt is, hogy felfedje az esetleges eltéréseket annak előrejelzéseitől, megnyitva így azt utat egy új fizika előtt...

Az eredményeket részletező szakcikk az Astrophysical Journal c. folyóiratban fog megjelenni.

Forrás:

• ann17051 - Announcement