In 1915 publiceerde Albert Einstein zijn beroemde Theory of General Relativity, die een uniforme beschrijving gaf van de zwaartekracht als een geometrische eigenschap van ruimte en tijd. Deze theorie leidde tot de moderne theorie van de zwaartekracht en zorgde voor een revolutie in ons begrip van de natuurkunde. Hoewel er sindsdien een eeuw is verstreken, voeren wetenschappers nog steeds experimenten uit die de voorspellingen van zijn theorie bevestigen.
Dankzij recente waarnemingen van een team van internationale astronomen (bekend als de GRAVITY-samenwerking) zijn de effecten van General Relativity voor het eerst onthuld met behulp van een Supermassive Black Hole (SMBH). Deze bevindingen waren het resultaat van een 26-jarige waarnemingscampagne van de SMBH in het centrum van de Melkweg (Boogschutter A *) met behulp van de instrumenten van de European Southern Observatory (ESO).
Het onderzoek dat de bevindingen van het team beschrijft, verscheen onlangs in het tijdschrift Astronomie en astrofysica, getiteld "Detectie van de gravitatie-roodverschuiving in de baan van de ster S2 nabij het massieve zwarte gat van het Galactische centrum". De studie werd geleid door Roberto Arbuto van de ESO en omvatte leden van de GRAVITY-samenwerking - die wordt geleid door Reinhard Genzel van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) en omvat astronomen van meerdere Europese universiteiten en onderzoeksinstituten.
Voor hun studie vertrouwde het team op gegevens die waren verzameld door de uiterst gevoelige en uiterst nauwkeurige instrumenten van de VLT. Deze omvatten het GRAVITY astrometrische en interferometrie-instrument, de Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared (SINFONI) -instrument en het Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) -instrument, die samen bekend staan als NACO.
Dankzij de nieuwe infraroodwaarnemingen die door deze instrumenten werden verzameld, kon het team een van de sterren (S2) volgen die in een baan om Boogschutter A * draait voor het zwarte gat - dat plaatsvond in mei 2018. Op het dichtstbijzijnde punt in zijn baan , de ster bevond zich op een afstand van minder dan 20 miljard km (12,4 miljard mijl) van het zwarte gat en bewoog met een snelheid van meer dan 25 miljoen km / h (15 miljoen mph) - bijna drie procent van de lichtsnelheid .
Terwijl het SINFONI-instrument werd gebruikt om de snelheid van S2 naar en van de aarde te meten, maakte het GRAVITY-instrument in de VLT-interferometer (VLTI) buitengewoon nauwkeurige metingen van de veranderende positie van S2 om de vorm van zijn baan te definiëren. Het GRAVITY-instrument creëerde vervolgens de scherpe beelden die de beweging van de ster onthulden toen deze dichtbij het zwarte gat kwam.
Het team vergeleek vervolgens de positie- en snelheidsmetingen met eerdere waarnemingen van S2 met behulp van andere instrumenten. Vervolgens vergeleken ze deze resultaten met voorspellingen van Newton's Law of Universal Gravitation, General Relativity en andere zwaartekrachttheorieën. Zoals verwacht, kwamen de nieuwe resultaten overeen met de voorspellingen van Einstein meer dan een eeuw geleden.
Zoals Reinhard Genzel, die niet alleen de leider was van de GRAVITY-samenwerking, co-auteur van het papier was, verklaarde hij in een recent ESO-persbericht:
'Dit is de tweede keer dat we de nauwe doorgang van S2 rond het zwarte gat in ons galactische centrum hebben waargenomen. Maar deze keer konden we, dankzij een sterk verbeterde instrumentatie, de ster observeren met een ongekende resolutie. We hebben ons gedurende meerdere jaren intensief voorbereid op dit evenement, omdat we deze unieke kans om algemene relativistische effecten te observeren, optimaal wilden benutten. ”
Toen het team werd waargenomen met de nieuwe instrumenten van de VLT, merkte het een effect op dat gravitatie-roodverschuiving wordt genoemd, waarbij het licht van S2 van kleur veranderde naarmate het dichter bij het zwarte gat kwam. Dit werd veroorzaakt door het zeer sterke zwaartekrachtsveld van het zwarte gat, dat de golflengte van het licht van de ster verlengde, waardoor het naar het rode uiteinde van het spectrum ging.
De verandering in de golflengte van licht van S2 komt precies overeen met wat Einsteins veldvergelijking heeft voorspeld. Zoals Frank Eisenhauer - een onderzoeker van het Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, de hoofdonderzoeker van GRAVITY en de SINFONI-spectrograaf en een co-auteur van de studie - aangaf:
“Onze eerste waarnemingen van S2 met GRAVITY, ongeveer twee jaar geleden, toonden al aan dat we het ideale laboratorium voor zwarte gaten zouden hebben. Tijdens de doorgang konden we zelfs de zwakke gloed rond het zwarte gat op de meeste beelden detecteren, waardoor we de ster in zijn baan nauwkeurig konden volgen, wat uiteindelijk leidde tot de detectie van de zwaartekracht roodverschuiving in het spectrum van S2.”
Terwijl er andere tests zijn uitgevoerd die de voorspellingen van Einstein hebben bevestigd, is dit de eerste keer dat de effecten van algemene relativiteit worden waargenomen bij de beweging van een ster rond een superzwaar zwart gat. In dit opzicht heeft Einstein opnieuw gelijk gekregen, met gebruikmaking van een van de meest extreme laboratoria tot nu toe! Bovendien bevestigde het dat tests met relativistische effecten consistente resultaten kunnen opleveren over tijd en ruimte.
"Hier in het zonnestelsel kunnen we alleen onder bepaalde omstandigheden de wetten van de natuurkunde testen", zegt Françoise Delplancke, hoofd van de afdeling System Engineering bij ESO. "Het is dus erg belangrijk in de astronomie om te controleren of die wetten nog steeds geldig zijn waar de zwaartekrachtvelden veel sterker zijn."
In de nabije toekomst zal een nieuwe relativistische test mogelijk zijn als S2 zich van het zwarte gat verwijdert. Dit staat bekend als een precessie van Schwarzschild, waar de ster naar verwachting een kleine rotatie in zijn baan zal ervaren. De GRAVITY Collaboration zal S2 monitoren om ook dit effect te observeren, wederom vertrouwend op de zeer nauwkeurige en gevoelige instrumenten van de VLT.
Zoals Xavier Barcons (de directeur-generaal van ESO) aangaf, werd deze prestatie mogelijk gemaakt dankzij de geest van internationale samenwerking vertegenwoordigd door de GRAVITY-samenwerking en de instrumenten die zij de ESO hielpen ontwikkelen:
“ESO werkt al meer dan een kwart eeuw samen met Reinhard Genzel en zijn team en medewerkers in de ESO-lidstaten. Het was een enorme uitdaging om de unieke krachtige instrumenten te ontwikkelen die nodig zijn om deze zeer delicate metingen uit te voeren en deze in te zetten bij de VLT in Paranal. De vandaag aangekondigde ontdekking is het zeer opwindende resultaat van een opmerkelijke samenwerking. ”
Bekijk ook zeker deze video van de succesvolle test van GRAVITY Collaboration, met dank aan ESO:
