Gwiazda tańcząca wokół supermasywnej czarnej dziury potwierdza teorię Einsteina

Opracowana przez Einsteina ponad 100 lat temu teoria przewiduje, że związane orbity jednego obiektu wokół drugiego nie są zamknięte (tak mówi grawitacja newtonowska), ale przesuwają się do przodu w płaszczyźnie ruchu. Nie jest to jednak nic nowego. Efekt ten zaobserwowano już w przypadku orbity Merkurego wokół Słońca - był to z resztą pierwszy dowód potwierdzający Ogólną Teorię Względności. Teraz dokładnie to samo zjawisko udało się zaobserwować w przypadku gwiazdy krążącej wokół supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* znajdującej się w centrum naszej galaktyki.

26 000 lat świetlnych od nas, w Gwiazdozbiorze Strzelca (Sagittarius) znajduje się bardzo silne źródło promieniowania radiowego Sagittarius A*. Wokół niego natomiast krąży bardzo gęsta gromada gwiazd. Zważając na to, że według naukowców Sgr A* jest supermasywną czarną dziurą o masie ponad 4 mln razy większej od masy Słońca, cały ten układ stanowi wprost idealne laboratorium do przeprowadzania testów wszelakich teorii opisujących grawitację.

S2 to jedna z gwiazd znajdujących się w bezpośrednim otoczeniu czarnej dziury, która okrążając ją zbliża się do niej na odległość ok. 20 mld km (120 razy większą od odległości Ziemia-Słońce), przez co jest jednym z obiektów najbardziej zbliżających się do SgrA*. W momencie największego zbliżenia, gwiazda ta przemierza przestrzeń kosmiczną z prędkością prawie 3 procent prędkości światła. Całe okrążenie wokół czarnej dziury zajmuje jej około 16 lat. Analizując ruch gwiazdy przed ponad 25 lat, naukowcom udało się wykryć wyraźną precesję Schwarzschilda w trajektorii ruchu S2 wokół SgrA*.

Większość obiektów w przestrzeni kosmicznej krążących wokół innych obiektów porusza się po elipsie, co oznacza że podczas każdego okrążenia naprzemiennie zbliża się i oddala od okrążanego obiektu. Najnowsze obserwacje wskazują, że orbita gwiazdy S2 ulega precesji, tzn. położenie najbliższego punktu orbity względem supermasywnej czarnej dziury, przy każdym okrążeniu jest gdzie indziej, przez co cała elipsa orbity jest przesunięta względem poprzedniej. Nałożone na siebie kolejne orbity tworzą swego rodzaju rozetę.  Taki ruch opisuje właśnie Ogólna Teoria Względności opracowana przez Alberta Einsteina. Efekt ten, zwany precesją Schwarzschilda nigdy dotąd nie był obserwowany w przypadku gwiazdy okrążającej supermasywną czarną dziurę.

Pomiary wykonywane za pomocą VLT pozwoliły naukowcom nieco dokładniej poznać otoczenie samej czarnej dziury. Skoro pomiary orbity gwiazdy S2 tak dobrze zgadzają się z ogólną teorią względności, naukowcy mogli wykorzystując je nałożyć nowe ograniczenia na ilość niewidzialnej materii (np. ciemnej materii czy mniejszych czarnych dziur) w bezpośrednim otoczeniu SgrA*.

Uzyskanie tak fenomenalnych wyników było możliwe dzięki trwającym od 27 lat wysiłkom astronomów obserwujących supermasywną czarną dziurę za pomocą teleskopu VLT znajdującego się na pustyni Atakama w Chile. Obserwując czarną dziurę za pomocą VLT astronomowie wykorzystywali instrumenty GRAVITY, SINFONI czy NACO. VLT w rzeczywistości składa się z czterech 8-metrowych teleskopów, które współpracując ze sobą tworzą jeden superteleskop o mocy jednego teleskopu o średnicy 130 m.

Zważając na to, że jedno okrążenie czarnej dziury zajmuje gwieździe 16 lat, astronomowie musieli ponad 330 razy bardzo precyzyjnie mierzyć trajektorię jej lotu, aby po ponad dwóch dekadach określić precyzyjnie jej ruch.

Naukowcy są przekonani, że gdy uruchomiony zostanie budowany aktualnie Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), uda im się dostrzec jeszcze słabsze gwiazdy krążące jeszcze bliżej supermasywnej czarnej dziury.

Jeżeli będziemy mieli szczęście, być może trafimy na gwiazdę, która zbliża się na tyle do supermasywnej czarnej dziury, że odczuwa jej rotację (spin) - mówi Andreas Eckart z Uniwersytetu w Kolonii. Gdyby faktycznie tak się stało, naukowcy mogliby zmierzyć i masę i spin, dwie cechy, które opisują SgrA*, a tym samym opisać przestrzeń i czas w jej bezpośrednim otoczeniu.