Очень Большой Телескоп наблюдает звездный танец вокруг сверхмассивной черной дыры

Орбита звезды имеет форму розетки, а не эллипса, как предсказывает теория тяготения Ньютона. Этот долгожданный результат был получен благодаря точным измерениям в течение почти 30 лет, которые позволили ученым раскрыть тайны черной дыры в центре нашей галактики.

«Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что связанные орбиты одного объекта вокруг другого не замкнуты, как в ньютоновской гравитации, но прецессируют вперед в плоскости движения. Этот знаменитый эффект - впервые увиденный на орбите планеты Меркурий вокруг Солнца - был Первым доказательством в пользу Общей Теории Относительности. Спустя 100 лет был обнаружен тот же эффект в движении звезды, вращающейся вокруг Стрельца А* в центре Млечного Пути. Этот наблюдательный прорыв усиливает свидетельство того, что Стрелец А* должна быть сверхмассивной черной дырой, в 4 миллиона раз превышающей массу Солнца», - говорит Рейнхард Гензел, директор Института внеземной физики им. Макса Планка (MPE) в Германии, и разработчик 30-летней программы.

Расположенная в 26 000 световых лет от Солнца, Стрелец А* и плотное скопление звезд вокруг неё представляют уникальную лабораторию для проверки физики в неизведанном и экстремальном режиме гравитации. Одна из этих звезд, S2, движется в направлении сверхмассивной черной дыры на самом близком расстоянии - менее 20 миллиардов километров (в 120 раз больше расстояния между Солнцем и Землей), что делает ее одной из самых близких звезд, обнаруженных на орбите вокруг массивного гиганта. При приближении к черной дыре S2 движется в пространстве почти на 3% скорости света, совершая орбиту каждые 16 лет. «После двух с половиной десятилетий следования за звездой на ее орбите наши измерения обнаружили прецессию Шварцшильда S2 на её пути вокруг Стрельца А*», - говорит Стефан Гиллессен из MPE, который руководил анализом измерений, опубликованных сегодня в журнал Astronomy & Astrophysics.

У большинства звезд и планет некруглая орбита и поэтому они то приближаются, то отдаляются от объекта, вокруг которого вращаются. Орбита S2 прецессирует, то есть местоположение ее ближайшей точки к сверхмассивной черной дыре меняется с каждым поворотом, так что следующая орбита поворачивается относительно предыдущей, создавая форму розетки. Общая теория относительности обеспечивает точный прогноз того, насколько ее орбита меняется, и последние измерения, полученные в результате этого исследования, в точности соответствуют теории. Этот эффект, известный как прецессия Шварцшильда, никогда ранее не измерялся для звезды вокруг сверхмассивной черной дыры.

Исследование с VLT также помогает ученым узнать больше о сверхмассивной черной дыре в центре нашей галактики. «Поскольку измерения S2 следуют Общей теории относительности, мы можем установить строгие ограничения на то, сколько невидимого материала, такого как распределенная темная материя или возможные более мелкие черные дыры, присутствует вокруг Стрельца А*. Это представляет большой интерес для понимания формирования и эволюции сверхмассивных черных дыр», - говорят Гай Перрен и Карин Перро, французские ученые проекта.

Этот результат стал кульминацией 27-летних наблюдений за звездой S2, использующих, в течение большей части этого времени, VLT ЕКА, расположенном в пустыне Атакама в Чили. Количество точек данных, обозначающих положение и скорость звезды, свидетельствует о тщательности и точности нового исследования: команда провела в общей сложности более 330 измерений с использованием инструментов GRAVITY, SINFONI и NACO. Поскольку на орбиту вокруг сверхмассивной черной дыры у S2 уходят годы, очень важно было следовать за звездой в течение почти трех десятилетий, чтобы разгадать тонкости ее орбитального движения.

Исследование было проведено международной командой во главе с Фрэнком Эйзенхауэром из MPE с коллегами из Франции, Португалии, Германии и ЕКА. Команда создает коллаборацию GRAVITY, названную в честь прибора, разработанного для интерферометра VLT, который объединяет свет всех четырех 8-метровых телескопов VLT в супер-телескоп (с разрешением, эквивалентным разрешению телескопа диаметром 130 метров). В 2018 году та же команда сообщила о другом эффекте, предсказанном Общей теорией относительности: они увидели, что свет, полученный от S2, растягивается до более длинных волн, когда звезда проходит вблизи Стрельца А*. «Наш предыдущий результат показал, что излучаемый звездой свет испытывает эффект Общей теории относительности. Теперь мы показали, что сама звезда ощущает эффекты Общей теории относительности», - говорит Пауло Гарсия, исследователь Португальского центра астрофизики и гравитации и один из ведущих ученых проекта GRAVITY.

С приближением запуска Extremely Large Telescope ЕКА команда считает, что смогут увидеть гораздо более слабые звезды, движущиеся по орбите даже ближе к сверхмассивной черной дыре. «Если нам повезет, мы можем увидеть звезды, расположенные достаточно близко, чтобы действительно почувствовать вращение черной дыры», - говорит Андреас Эккарт из Кельнского университета. Это означало бы, что астрономы смогут измерить вращение и массу, которые характеризуют Стрельца А*, и определить пространство и время вокруг неё. «Это был бы совершенно другой уровень тестирования относительности», - говорит Эккарт.