Známky relativistických efektů v pohybu hvězd okolo supermasivní černé díry v centru Galaxie

V centru Mléčné dráhy, ve vzdálenosti 26 000 světelných let od Země, leží nejbližší supermasivní černá díra, která má hmotnost čtyři miliony hmotností Slunce. Kolem tohoto výjimečného objektu obíhá ve velmi silném gravitačním poli malá skupina hvězd s vysokou rychlostí. Je to perfektní prostředí na testování teorií gravitace a obzvláště Einsteinovy obecné teorie relativity.

Českoněmecký tým astronomů aplikoval novou analytickou metodu na bohatý soubor existujících pozorování hvězd obíhajících kolem černé díry. Tato pozorování provedl v posledních dvaceti letech dalekohled ESO/VLT v Chile a také jiné [1]. Vědci srovnávali měřené dráhy hvězd s předpověďmi klasické Newtonovy teorie gravitace a s předpověďmi obecné relativity.

Vědecký tým našel známky existence drobných změn v pohybu jedné z hvězd, známé jako S2, které souhlasí s předpovědí obecné relativity [2]. Odchylka díky relativistickým efektům je jenom několik málo procent v tvaru dráhy a asi jenom šestina stupně v její orientaci [3]. Pokud budou výsledky potvrzeny, bude to poprvé, co se podařilo velikosti relativistických efektů změřit pro hvězdy obíhající kolem supermasivní černé díry.

Marzieh Parsa, PhD student na Univerzitě v Kolíně nad Rýnem (Německo) a hlavní autor vědeckého článku, má radost: "Galaktické centrum je skutečně nejlepší laboratoř pro sledování pohybu hvězd v relativistickém prostředí. Byl jsem překvapen, jak dobře jsme mohli aplikovat metody, které jsme vyvinuli pro simulované hvězdy, na přesná měření hvězd s vysokou rychlostí, obíhající těsně kolem supermasivní černé díry."

Vysoká přesnost měření pozic hvězd, kterou umožnily přístroje s adaptivní optikou pracující v blízké infračervené oblasti na dalekohledu VLT, byla pro úspěch studie velmi důležitá [4]. A to nejen v okamžiku nejbližšího přiblížení hvězdy k černé díře, ale také - a to především - během doby, kdy se hvězda S2 nacházela od černé díry dál. Tato data umožnila přesné určení tvaru dráhy.

"Během analýzy jsme si uvědomili, že k určení relativistických jevů působících na S2 potřebujeme velmi přesná data z celé dráhy hvězdy," komentuje Andreas Eckart, vedoucí týmu na kolínské univerzitě.

Z nové analýzy plynou nejenom podrobnosti o dráze hvězdy S2, ale také přesnější údaje o hmotnosti černé díry a její vzdálenosti od Země [5].

Spoluautor Vladimír Karas z Astronomického ústavu Akademie věd ČR v Praze s nadšením hovoří o budoucím výzkumu: "Naše výsledky otevírají další možnosti pro teoretickou i experimentální práci v tomto oboru vědy."

Popisovaná analýza je předehrou k vzrušujícímu období pozorování galaktického středu, na které se připravuje mnoho astronomů na světě. Během roku 2018 se hvězda S2 těsně přiblíží k supermasivní černé díře. Přístroj GRAVITY, vyvinutý velkým mezinárodním konsorciem, které vede MPE (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik) v Garchingu [6], a nainstalovaný na interferometru VLT [7], bude schopen měřit dráhu hvězdy mnohem přesněji, než je v současnosti možné. Očekává se, že GRAVITY, která již provádí velmi přesná pozorování středu Galaxie, ukáže relativistické efekty velmi jasně, ale mohla by astronomům také pomoci odhalit i případné odchylky od obecné teorie relativity, které by znamenaly novou fyziku.

Poznámky

[1] Ve studii byla použita data z blízké infračervené kamery NACO, nyní nainstalované na hlavním dalekohledu UT1 (Antu) VLT a ze zobrazovacího spektrometru SINFONI na UT4 (Yepun). Navíc byla využita publikovaná data z Keckova dalekohledu.

[2] S2 je hvězda s hmotností 15krát větší než Slunce, která obíhá po eliptické dráze kolem supermasivní černé díry. Její oběžná doba je asi 15,6 roků a k černé díře se přibližuje až na 17 světelných hodin - to je asi 120krát vzdálenost Země-Slunce.

[3] Podobný, ale menší, efekt je pozorovatelný pro měnící se orbitu planety Merkur ve Sluneční soustavě. Měření tohoto jevu byl na konci devatenáctého století jeden z nejpřesvědčivějších náznaků, že Newtonova teorie gravitace nepopisuje úplně všechno, a že je zapotřebí jiný přístup a jiná teorie pro popis gravitace v případě silných polí. Nakonec vedlo k obecné teorii relativity, kterou Einstein publikoval v roce 1915, a která je založena na představě zakřiveného prostoročasu.

Při výpočtu dráhy hvězd či planet pomocí obecné teorie relativity se dráhy vyvíjejí jinak než v případě Newtonovy teorie. Předpovědi tvaru a orientace orbity s časem jsou v těchto dvou teoriích poněkud odlišné. Můžeme je srovnat s měřením a tak testovat platnost obecné teorie relativity.

[4] Adaptivní optika kompenzuje distorzi obrazu způsobenou turbulentní atmosférou v reálném čase a poskytuje dalekohledu mnohem lepší úhlové rozlišení (ostrost obrazu). Uhlové rozlišení je v principu limitováno pouze rozměrem zrcadla a vlnovou délkou světla používaného pro měření.

[5] Tým vypočítal, že černá díra má hmotnost 4,2 × 10⁶ hmotností Slunce, a je od nás vzdálená 8,2 kiloparseku, tedy téměř 27 000 světelných let.

[6] Univerzita v Kolíně je součástí týmu GRAVITY (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity). Jejím příspěvkem k systému je spektrometr kombinující paprsky.

[7] GRAVITY začal pozorovat začátkem roku 2016 a už se věnuje Galaktickému středu.

Výzkum je popsán v článku s názvem “Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Black Hole in the Galactic Center”, autor M. Parsa et al., který bude publikován v časopise  Astrophysical Journal.

Další informace

Členové vědeckého týmu jsou Marzieh Parsa, Andreas Eckart (I. fyzikální ústav Univerzity v Kolíně nad Rýnem, Německo; Ústav Maxe Plancka pro radioastronomii, Bonn, Německo), Banafsheh Shahzamanian (I. fyzikální ústav Univerzity v Kolíně nad Rýnem, Německo), Christian Straubmeier (I. fyzikální ústav Univerzity v Kolíně nad Rýnem, Německo), Vladimír Karas (Astronomický ústav, Akademie věd České republiky, Praha), Michal Zajaček (Ústav Maxe Plancka pro radioastronomii, Bonn, Německo;  I. fyzikální ústav Univerzity v Kolíně nad Rýnem, Německo) a J. Anton Zensus (Ústav Maxe Plancka pro radioastronomii, Bonn, Německo).

Odkazy

•  
• Vědecký článek
• Předchozí pozorování Galaktického středu dalekohledem VLT (eso0846, eso1151, eso1332 a eso1512)
• Stránky MPE týkající se Galaktického středu
• Fotografie VLT
•  

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Soňa Ehlerová; překlad; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: sona@ig.cas.cz

Vladimir Karas; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: vladimir.karas@cuni.cz

Richard Hook; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org