«Звездный танец» вокруг черной дыры доказал правоту Эйнштейна

Ученые из Института внеземной физики имени Макса Планка (Германия) получили результаты исследования, длившегося 27 лет. Статью с выводами, подтверждающими Общую теорию относительности Эйнштейна, они опубликовали в журнале Astronomy & Astrophysics.

Звезда S2, которая вращается вокруг сверхмассивной черной дыры Стрелец A*, находящейся в центре Млечного Пути, делает это по «розеткообразной» орбите, а не по эллиптической. Именно так она должна была двигаться, если бы была верна Общая теория относительности, которая предполагает, что связанные орбиты одного объекта вокруг другого не замкнуты, но прецессируют вперед в плоскости движения. Напротив, если бы движения небесных тел подчинялись только принципам, изложенным в ньютоновской теории тяготения, то звезда двигалась бы по замкнутой эллиптической орбите.

Выяснить это помог длиннейший и точнейший комплекс наблюдений, измерений и анализа, запланированный исследователями и осуществленный в том числе с помощью приборов VLT (Очень большого телескопа — Very Large Telescope).

Большинство звезд и планет имеют некруглую орбиту и поэтому двигаются ближе и дальше от объекта, вокруг которого вращаются. Орбита S2 прецессирует, значит, местоположение ее ближайшей точки к сверхмассивной черной дыре меняется с каждым поворотом, так что следующая орбита сдвигается с поворотом относительно предыдущей. Если сохранить все эти повороты, в итоге получается фигура из «лепестков». Впервые подобный эффект был обнаружен у движения Меркурия вокруг Солнца. Это смещение, открытое в середине ХIХ века, подтолкнуло физиков к поиску объяснения, которое и было дано Эйнштейном.

Общая теория относительности обеспечивает точное предсказание того, как должна была измениться орбита S2, и данные, полученные в результате исследования авторов работы, точно соответствуют этому прогнозу. Этот эффект, известный как прецессия Шварцшильда, никогда ранее не измерялся для звезды, вращающейся вокруг сверхмассивной черной дыры. Обнаружение и подтверждение эффекта на таких небесных телах, как Стрелец A* и S2, не только подтверждают Теорию относительности, но и помогают больше узнать об этих объектах.

Стрелец А* и звезды, образующие скопления вокруг этого компактного источника гравитации, находятся в 26 тысячах световых лет от Солнца. В некотором роде это природная «суперлаборатория», дающая возможность проверять физические и астрономические теории в уникальных условиях экстремальной гравитации. Движение звезды S2 делает ее одной из самых близких к сверхмассивной черной дыре, известных человечеству.

«Поскольку измерения S2 очень хорошо следуют Общей теории относительности, мы можем установить строгие ограничения на то, сколько невидимого материала, такого как распределенная темная материя или возможные более мелкие черные дыры, присутствует вокруг Стрельца А*. Это представляет большой интерес для понимания формирования и эволюции сверхмассивных черных дыр», — говорят Гай Перрен и Карин Перро, ведущие ученые проекта.

Астрофизикам понадобилось 27 лет, так как один оборот S2 вокруг черной дыры занимает годы. Чтобы точно проследить за изменениями орбиты, ученые использовали инструменты VLT, расположенного в чилийской пустыне Атакама. Исследователи сделали 330 «подходов», измеряя и анализируя все особенности положения S2.

Кроме немецких ученых, в проекте участвовали их коллеги из Франции, Португалии, Германии и ESO. Созданная ими коллаборация GRAVITY, названная в честь одного из приборов для VLT, два года назад обнаружила еще одно доказательство Общей теории (изменение световых волн, исходящих от S2). С появлением более точного Чрезвычайно большого телескопа (Extremely Large Telescope) команда надеется получить еще более детальную информацию как со стороны Общей теории физики, так и со стороны данных о свойствах черной дыры и ее спутников.