Орбита звезды, обращающейся вокруг сверхмассивной черной дыры, подтверждает теорию относительности

Астрономы Европейской Южной обсерватории (ESO) при помощи Очень Большого Телескопа (VLT), установленного в пустыне Атакама в Чили, впервые подтвердили, что звезда, обращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, двигается в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна. Орбита звезды образует «розетку», а не эллипс, который соответствовал бы ньютоновской теории гравитации. Этот долгожданный результат получен из измерений, проводившихся со всё увеличивающейся точностью на протяжении более 30 лет. О полученных результатах рассказывается в пресс-релизе ESO.

«Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что орбита объекта, движущегося в поле тяготения другого объекта, не замкнута, как в случае ньютоновского тяготения, но прецессирует в плоскости орбиты в направлении движения. Этот знаменитый эффект, впервые наблюдавшийся на примере орбиты Меркурия вокруг Солнца, когда-то был первым экспериментальным подтверждением общей теории относительности. Спустя сто лет мы зарегистрировали тот же эффект в движении звезды вокруг компактного радиоисточника Стрелец A* в центре Млечного Пути. Этот наблюдательный прорыв дает очередное доказательство того, что Sagittarius A* должен быть сверхмассивной черной дырой с массой в 4 миллиона масс Солнца», — рассказывает автор 30-летней исследовательской программы Райнхард Генцель (Reinhard Genzel), директор Института внеземной физики Общества Макса Планка.

Объект Sgr A*, расположенный в 26 000 световых лет от Солнца, и плотное звездное скопление вокруг него — уникальная природная лаборатория для тестирования физических законов в области экстремальных полей тяготения. Одна из звезд этого скопления, S2, в ближайшей точке своей орбиты подходит к сверхмассивной черной дыре на расстояние менее 20 миллиардов километров (что в сто двадцать раз больше расстояния между Солнцем и Землей). Это одна из самых тесно сближающихся со сверхмассивным «монстром» звезд. В точке наибольшего сближения с черной дырой S2 несется в пространстве со скоростью, составляющей почти три процента скорости света, делая один орбитальный оборот за 16 лет. «Отслеживая движение звезды S2 по орбите вокруг объекта Стрелец A* в течение более двух с половиной десятилетий, мы выполнили тщательнейшие измерения, которые со всей определенностью показали наличие шварцшильдовской прецессии», — говорит Штефан Гиллессен (Stefan Gillessen) из Института внеземной физики.

Большинство звезд и планет имеет некруговые орбиты, и поэтому, двигаясь по ним, оказываются то ближе к центральному объекту, то дальше от него. Орбита звезды S2 прецессирует, а это означает, что положение точки ее наименьшего удаления от сверхмассивной черной дыры с каждым оборотом меняется: каждый следующий виток орбиты поворачивается по отношению к предыдущему на определенный угол, и все эти витки образуют что-то вроде розетки. Общая теория относительности точно предсказывает, насколько сдвигается орбита, и последние измерения, выполненные авторами данной работы, в точности соответствуют этой теории. Этот эффект, известный как прецессия Шварцшильда, никогда ранее не измерялся для звезды вблизи сверхмассивной черной дыры.

Кроме того, исследование, выполненное с телескопом ESO VLT, помогает ученым узнать больше об окрестностях сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. «Так как измерения движения звезды S2 хорошо укладываются в общую теорию относительности, мы можем наложить более жесткие ограничения на количество невидимого вещества, например, равномерно распределенной темной материи или черных дыр меньшего размера, в окрестностях Sagittarius A*. Это представляет огромный интерес для понимания механизма образования и эволюции сверхмассивных черных дыр», — говорят Ги Перрен (Guy Perrin) и Карин Перро (Karine Perraut), руководители проекта с французской стороны.

Полученный результат венчает 27 лет наблюдений звезды S2 с использованием в течение большей части этого времени богатого арсенала приемников ESO VLT. Само количество полученных данных о положениях и скорости звезды говорит о степени тщательности и точности нового исследования: группа выполнила в общей сложности более 330 измерений с приемниками GRAVITY, SINFONI и NACO. Так как оборот звезды S2 вокруг сверхмассивной черной дыры занимает несколько лет, для выявления особенностей ее орбитального движения очень важно было отслеживать его около трех десятилетий.

Исследование выполнено международной группой под руководством Фрэнка Эйзенхауэра (Frank Eisenhauer) из Института внеземной физики с сотрудниками из Франции, Португалии, Германии и ESO. Группа составила коллаборацию GRAVITY — по названию инструмента, который ее участники разработали для Интерферометра VLT. Это устройство объединяет все четыре 8-метровых телескопа VLT в единый сверхтелескоп с разрешением, эквивалентным разрешению телескопа с диаметром зеркала 130 метров). В 2018 году эта же группа сообщила об обнаружении другого эффекта, предсказываемого общей теорией относительности: они измерили увеличение длины волны света, принимаемого от звезды S2, вызванное прохождением звезды вблизи Sgr A*. «Наш предыдущий результат показал, что свет, излучаемый звездой, подчиняется законам общей теории относительности. Теперь мы продемонстрировали, что и сама звезда в своем движении подчиняется этим законам», — говорит Пауло Гарсия (Paulo Garcia), исследователь из португальского Центра астрофизики и гравитации и один из ведущих ученых проекта GRAVITY.

Работа опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.