Det supertunge sorte hul, som er tættest på Jorden, er 26.000 lysår borte i Mælkevejens centrum, men er skjult af tætte støvskyer. Det monstrøse sorte hul vejer 4 mio. Sol-masser og er omgivet af en sværm af stjerner, som kredser om det med stor fart. Det helt ekstremt kraftige tyngdefelt her - det stærkeste i vores galakse - er det perfekte laboratorium for at afprøve tyngdekraftens fysik, og specielt Einsteins Generelle Relativitetsteori.
Det er nye infrarøde observationer med de meget følsomme instrumenter GRAVITY, SINFONI og NACO på ESO’s Very Large Telescope (VLT), som har givet astronomerne muligheden for at følge en af disse stjerner (som har fået navnet S2), imens den passerede meget tæt forbi det sorte hul i maj 2018. Tættest på var stjernen mindre end 20 mia. km fra det sorte hul, og den susede forbi med en hastighed, som var over 25 mio. km/t - Næsten 3% af lysets hastighed!
Forskerholdet har sammenlignet positionerne og hastighederne målt med henholdsvis GRAVITY og SINFONI, og har sammenlignet med tidligere observationer af S2 gjort med andre instrumenter. Newtons Love, generel relativitet og andre teorier angående tyngdekræfter er testet, og resultaterne viser klart, at Newtons love ikke er tilstrækkelige, men at der er overordentlig fin overensstemmelse med forudsigelserne gjort med generel relativitet.
Det er et internationalt hold ledet af Reinhard Genzel fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) i Garching, Tyskland, som har udført de ekstremt præcise målinger, i samarbejde med partnere over hele Verden; Paris Observatory–PSL, Université Grenoble Alpes, CNRS, Max Planck Institute for Astronomy, University of Cologne, Portuguese CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação og ESO. Observationsresultaterne er højdepunktet i en serie mere og mere præcise observationer hen over 26 år af Mælkevejens centrum udført med ESO-instrumenter.
"Det er anden gang, vi har observeret S2 i tæt passage af det sorte hul i galaksens centrum. Men denne gang har vi meget bedre instrumenter, og derfor kan vi observere stjernen med en hidtil uset nøjagtighed" forklarer Genzel. "Vi har forberedt os omhyggeligt til denne hændelse i de sidste mange år, fordi vi ville have så meget som muligt ud af denne enestående chance for at se effekterne af generel relativitet."
De nye målinger viser klart den effekt, som kaldes gravitationel rødforskydning. Lyset fra stjernen bliver strakt til længere bølgelængder af det meget stærke tyngdefelt fra det sorte hul. Og ændringen i bølgelængden for lyset fra S2 passer præcist med den, som forudsiges i Einsteins Generelle Relativitetsteori. Det er første gang, at denne afvigelse fra den klassiske Newtonske teori for tyngdekraften er blevet observeret ud fra en stjernes bevægelse omkring et supertungt sort hul.
Forskerne brugte SINFONI til at måle S2's hastighed imod eller væk fra retningen til Jorden, og instrumentet GRAVITY i VLT Interferometeret (VLTI) til at foretage ekstremt præcise bestemmelser af S2's positioner til brug for banebestemmelsen. Med GRAVITY får man et så skarpt billede, at man kan se stjernens bevægelse fra nat til nat under passagen tæt forbi det sorte hul - på en afstand af 26.000 lysår fra Jorden!
"Vore første observationer af S2 med GRAVITY, for omkring to år siden, viste os allerede dengang, at vi rådede over det idelle laboratorium til studiet af sorte huller" tilføjer Frank Eisenhauer (MPE), som er chefforsker (PI) ved GRAVITY og spektrografen SINFONI. "I løbet af den tætte passage kunne vi endda observere den svage glød omkring det sorte hul på de fleste af billederne. Det gav os mulighed for præcist at følge stjernen i dens bane, og dermed til at kunne måle den gravitationelle rødforskydning i spektret for S2."
Françoise Delplancke, som leder System Engineering Department at ESO, forklarer hvorfor observatioonerne her er så vigtige: "Her i vores eget Solsystem kan vi kun afprøve de fysiske love lige nu, og under særlige omstændigheder. Derfor er det meget vigtigt, at vi i astronomien også kan tjekke, at de samme love også gælder langt væk, langt tilbage i tiden og steder, hvor tyngdefelterne er meget kraftigere."
Forskerholdet fortsætter arbejdet, og forventer, at der også meget snart kan findes bekræftelse for en anden relativistisk effekt; det, som kaldes Schwarzschildpræcessionen, når S2 bevæger sig væk fra det sorte hul.
Xavier Barcons, ESOs Generaldirektør, slutter: “ESO har samarbejdet med Reinhard Genzel og hans hold og med partnere i ESOs medlemstater i over et kvart århundrede. Det har været en enorm udfordring at udvikle de enestående instrumenter, som har været nødvendige for at indsamle disse meget fine målinger, og at få dem til at fungere ved VLT på Paranal. Det, vi fortæller her idag er det spændende resultat af et helt enestående samarbejde."
Kilde: ESO