Hvězdy se houpají kolem černé díry, zkouší gravitaci

Astronomové viděli zčervenání hvězdného světla, když prošlo centrální černou dírou naší galaxie, stejně jako předpovídá obecná relativita.

Vědci mají Einstein přesně tam, kde ho chtějí.

Tento umělecký dojem ukazuje cestu hvězdy S2, která se vynořila supermasivní černou dírou ve středu Mléčné dráhy. Když se hvězda blížila k černé díře, její světlo muselo bojovat s obrovským gravitačním polem černé díry. Světlo ztratilo energii v procesu, což způsobilo, že se barva hvězdy mírně posunula k červené (kvůli efektu zde přehnaná). Velikost objektů není v měřítku.
ESO / M. Kornmesser

Dnes v německém Garchingu Reinhard Genzel (Institut Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku, Německo) a jeho kolegové oznámili, že detekovali posun ve hvězdném světle způsobený extrémní gravitací černé díry ve středu našeho galaxie. Tato změna, zvaná gravitační redshift, je jedním z dlouho hledaných potvrzení, že Einsteinův hlavní rámec gravitace správně popisuje, jak vesmír funguje.

Jak podrobně popisuji v našem nadcházejícím zářijovém čísle, zhruba tři tucty jasných hvězd se krčí velmi blízko kolem supermasivní černé díry v srdci Mléčné dráhy. Genzelův tým i druhý vedený Andrea Ghezem (Kalifornská univerzita v Los Angeles) pozorovali tento shluk hvězd více než dvě desetiletí a pomocí hvězdných drah vypočítal hmotu neviditelného věc, která se skrývá mezi nimi. Je to tato práce, která nám poskytuje náš odhad hmotnosti černé díry: asi 4 milionykrát větší než hmotnost Slunce, vše obsažené v okruhu 8% velikosti pozemského treku kolem naší hvězdy.

Nejjasnější člen této skupiny hvězd se nazývá S2. Je to sedmimilionová masivní, namodralá hvězda typu B, která váží dohromady až tucet Sluníček dohromady. Každých 16 let dokončí závodiště kolem černé díry. Při svém nejbližším přiblížení se blíží k černé díře, než jakákoli jiná dosud detekovaná hvězda: asi 120 au, nebo čtyřikrát Neptunova vzdálenost od Slunce. Jeho poslední průkaz byl začátkem tohoto roku v květnu.

Fly2 S2 umožňuje dva testy obecné relativity. Prvním je gravitační červený posun, jehož předběžné odhalení je dnes oznámeno. V Einsteinově obecné teorii relativity je gravitace geometrie. Hmota a energie vytvářejí křivky v látce časoprostoru, podobně jako objekty, když jsou umístěny na napnutém gumovém listu. Veškerá hmota způsobuje v kosmickém listu poklesy - některé výraznější než jiné. Všechno, co cestuje skrze pokřivenou oblast, musí procházet křivkami v časoprostorové krajině. Dokonce i světlo musí následovat gravitační objížďky.

Jak S2 vrhala dolů na černou díru, ponořila se dále do široké, hluboké studny, kterou černá díra vytváří v látce časoprostoru. Jeho fotony musely vyšplhat ze studny, aby se k nám dostali. Toto stoupání je okradlo o energii a posunulo je na delší, červenější vlnové délky.

Tento diagram ukazuje pohyb hvězdy S2, jak prošla v blízkosti černé díry, na základě dat z gravitačního interferometru. V tomto okamžiku hvězda cestovala téměř 3% rychlosti světla.
Spolupráce ESO / MPE / GRAVITY

Tato změna je však relativně malá ve srovnání s prozaičtější změnou očekávanou od newtonovské gravitace. V Newtonově rámci by se mělo světlo S2 také posouvat červeně kvůli dramatickému pohybu hvězdy podél naší linie pohledu, když se točí kolem černé díry. Změna se projevuje jako skok několika tisíc km / s. Naproti tomu relativistický červený posun zvyšuje pouze asi 200 km / s.

Aby astronomové viděli tento menší gravitační červený posun, musí mít orbitální pohyb hvězdy dokonale upnut. To je těžké udělat, když je váš cíl vzdálený asi 26 000 světelných let, zahalený zaprášeným plynem a obklopený jinými fuzzy vyhlížejícími světelnými kouli. Obrazy galaktického centra vypadají jako psychedelická polka-dot textilie, ve které se všechny tečky pohybují.

Obrázky nám navíc poskytují pouze plochý pohled; neodhalují třetí dimenzi. To pochází z měření pohybu hvězd podél naší zorné čáry nebo radiální rychlosti .

Existují tedy tři klíčové momenty, kdy se S2 v průlomu otočí kolem černé díry, a všechny vám řeknou něco o 3D setkání, které se odehrává. Jedním z nich je, když se hvězdný pohyb pryč od nás podél našeho zorného pole náhle zvedne. Poté, co se radiální rychlost začne klesat, nastane druhý klíčový okamžik, když hvězda dosáhne nejbližšího přístupu k černé díře, jak je vidět na „plochých“ obrazech. Třetím okamžikem je okamžik, kdy pohyb hvězdy zastaví její prudký pokles přímo na nás a začne se zpomalovat podél našeho zorného pole. První a druhý okamžik nastal v květnu; třetí je odhad, který přijde letos v září.

Uprostřed průchodu

Oba týmy MPI a UCLA shromažďovaly pozorování po dobu 20 a více let, aby jim poskytly to, co potřebují ke sledování pohybu S2, s dostatečnou přesností, aby viděly výkyv redshift z obecné relativity. V rámci této práce Frank Eisenhauer (Institut Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku) a jeho kolegové postavili interferometrický nástroj zvaný Gravity.

Gravity kombinuje čtyři 8, 2 metrů dalekohledy Velkého dalekohledu v Chile do jediného superscope s ekvivalentním průměrem neuvěřitelných 130 metrů. Při vlnových délkách blízkých infračervenému záření to zvyšuje rozlišení o více než desetkrát více, než bylo dříve možné, což umožňuje týmu sledovat pohyb S2 z noci na noc. Výkon je srovnatelný s používáním VLT k pozorování fotbalového zápasu na Měsíci a sledování trajektorie míče s přesností 6 centimetrů, uvedla během tiskové konference Françoise Delplancke (ESO).

Tím, že evropský tým spojil data z Gravity s obrázky a změřením radiální rychlosti, které proběhlo v průběhu šestnáctileté orbity S2, evropský tým uvedl, že úspěšně detekovali další pokles. Vypadá to takto.


Spolupráce GRAVITY / Astronomie & Astrofyzika 2018

Rovná čára je predikce z newtonovské gravitace; rána je predikce obecné relativity. Když Eisenhauer na tiskové konferenci ukázal verzi tohoto grafu, v hale vypukl potlesk.

Hra však ještě neskončila. Tento výkyv je jen tak uvěřitelný jako základní data, na nichž sedí. Pro jistotu astronomové potřebují třetí část průchodu S2, která se nyní začíná objevovat v datech o radiální rychlosti - ve skutečnosti, když jsem dnes ráno mluvil o telefonu s Ghezem o výsledku, míří na letiště, asi letět do Hawai'i a namířit jeden z Keckových dalekohledů na S2.

"Těší mě, " řekla upřímně. "Myslím, že Gravity je úžasný nástroj." Krása spočívající v tom, že dva týmy s různými nástroji a přístupy pracují na stejné věci, vysvětluje, je to, že kombinací jejich výsledků je věda lepší. Skutečně však chce vidět, co se stane při posledním otočení v radiální rychlosti, než vyhodnotí, co jí říkají její vlastní data.

Ale počkejte, je toho víc

Týmy používají S2 k testování druhé relativistické predikce. Obecně platí, že neexistují žádné uzavřené oběžné dráhy. Stejně jako Merkur prostupuje kolem Slunce, kreslí kosmické spirografické šablony, také by měla S2 spirála kolem Sgr A *. V případě S2 je precese asi 12 arcminutů na oběžné dráze.

Měření tohoto posunu je nesmírně náročné. Týmy by však měly mít údaje, aby je mohly vidět v příštím roce. Pokud to některý tým uvidí, bude to pro astronomy další výhra. Einsteinova gravitace jim nyní neunikne.

Reference: Gravity Collaboration. "Detekce gravitačního červeného posunu na oběžné dráze hvězdy S2 poblíž masivní černé díry v galaktickém centru." Astronomie a astrofyzika. Červenec 2018.