Eerste geslaagde test van Einsteins algemene relativiteitstheorie bij superzwaar zwart gat

[univers]

Bekroning van 26 jaar ESO-waarnemingen van het hart van de Melkweg


Deze artist’s impression toont het pad dat de ster S2 volgt terwijl deze het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg op geringe afstand passeert. Als hij dicht bij het zwarte gat komt, zorgt diens zeer sterke zwaartekrachtveld ervoor dat de kleur van de ster enigszins naar het rood verschuift – een effect dat door Einsteins algemene relativiteitstheorie wordt voorspeld.
In deze afbeelding zijn het kleureffect en de afmetingen van de objecten voor de duidelijkheid overdreven.
Credit: ESO/M. Kornmesser

Waarnemingen met ESO’s Very Large Telescope hebben voor het eerst de effecten laten zien op de beweging van een ster die door het extreem sterke zwaartekrachtveld in de buurt van het superzware zwarte gat in het centrum van Melkweg gaat, zoals die zijn voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Dit lang gezochte resultaat vormt de bekroning van een 26 jaar durende waarnemingscampagne met de telescopen van ESO in Chili.

Het dichtstbijzijnde superzware zwarte gat ligt op 26.000 lichtjaar van de aarde in het stofrijke centrum van de Melkweg. Dit zwaartekrachtsmonster, dat vier miljoen keer zoveel massa heeft als de zon, is omringd door een kleine groep sterren die er met hoge snelheid omheen cirkelen. Deze extreme omgeving – het sterkste zwaartekrachtveld in onze Melkweg – is de perfecte plek voor zwaartekrachtsonderzoek, en met name de toetsing van Einsteins algemene relativiteitstheorie.

Nieuwe infraroodwaarnemingen met de uiterst gevoelige instrumenten GRAVITY [1], SINFONI en NACO van ESO’s Very Large Telescope (VLT) hebben astronomen nu in staat gesteld om een ​​van deze sterren, S2 geheten, te volgen terwijl deze het zwarte gat in mei 2018 heel dicht naderde. Tijdens de dichtste nadering was de ster minder dan 20 miljard kilometer van het zwarte gat verwijderd en had hij een snelheid van meer dan 25 miljoen kilometer per uur – bijna drie procent van de lichtsnelheid [2].


Deze artist’s impression toont het pad dat de ster S2 volgt terwijl deze het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg op geringe afstand passeert. Als hij dicht bij het zwarte gat komt, zorgt diens zeer sterke zwaartekrachtveld ervoor dat de kleur van de ster enigszins naar het rood verschuift – een effect dat door Einsteins algemene relativiteitstheorie wordt voorspeld.
In deze afbeelding zijn het kleureffect en de afmetingen van de objecten voor de duidelijkheid overdreven.Credit: ESO/M. Kornmesser

Het team heeft de positie- en snelheidsmetingen van respectievelijk GRAVITY en SINFONI, samen met eerdere waarnemingen van S2 met behulp van andere instrumenten, vergeleken met de voorspellingen van de newtoniaanse zwaartekracht, de algemene relativiteitstheorie en andere zwaartekrachtstheorieën. De nieuwe resultaten botsen met de newtoniaanse voorspellingen, maar zijn in uitstekende overeenstemming met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie.

De uiterst precieze metingen werden uitgevoerd door een internationaal team onder leiding van Reinhard Genzel van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik(MPE) in Garching, Duitsland, in samenwerking met medewerkers van het Observatoire de Paris, de Université Grenoble Alpes, CNRS, het Max-Planck-Institut für Astronomie,de Universität zu Köln, het Portugese Centro de Astrofisica e Gravitação (CENTRA) en ESO.De waarnemingen vormen de bekroning van een 26 jaar lange reeks van steeds nauwkeurigere waarnemingen van het centrum van de Melkweg met behulp van ESO-instrumenten [3].


Dit diagram toont de beweging van de ster S2 rond het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Het is samengesteld uit waarnemingen met ESO-telescopen en -instrumenten die over een periode van meer dan 25 jaar zijn verkregen. De ster doet 16 jaar over één omloop en was in mei 2018 heel dicht in de buurt van het zwarte gat. Merk op dat de afmetingen van het zwarte gat en de ster niet op schaal zijn.
Credit:ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

‘Dit is de tweede keer dat we de dichte passage van S2 langs het zwarte gat in ons galactische centrum hebben waargenomen. Maar dankzij verbeterde instrumentatie konden we de ster dit keer met ongekende resolutie waarnemen’, legt Genzel uit. ‘We hebben ons de afgelopen jaren intensief voorbereid op deze gebeurtenis, omdat we deze unieke kans om algemeen-relativistische effecten te observeren optimaal wilden benutten.’

De nieuwe metingen laten duidelijk een effect zien dat gravitationele roodverschuiving wordt genoemd. Licht van de ster wordt uitgerekt tot langere golflengten door het zeer sterke zwaartekrachtveld van het zwarte gat. En de verandering in de golflengte van het licht van S2 komt precies overeen met wat wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Dit is de eerste keer dat deze afwijking van de voorspellingen van de eenvoudigere zwaartekrachtstheorie van Newton is waargenomen in de beweging van een ster die rond een superzwaar zwart gat draait.

Het team gebruikte SINFONI om de snelheid te meten waarmee S2 naar de aarde toen en van de aarde weg bewoog. Het GRAVITY-instrument in de VLT Interferometer (VLTI) deed buitengewoon nauwkeurige metingen van de veranderende positie van S2, om zo de vorm van diens omloopbaan te bepalen. GRAVITY maakt zulke scherpe beelden dat het kan laten zien hoe de ster zich in de buurt van het zwarte gat van nacht tot nacht verplaatst. En dat op 26.000 lichtjaar van de aarde.


Deze simulatie toont de bonen van sterren in de omgeving van het superzware zwarte gat in het hart van de Melkweg. Een van deze sterren, S2 geheten, doet 16 jaar over één omloop en was in mei 2018 heel dicht in de buurt van het zwarte gat. Dit is een perfecte omgeving om de zwaartekracht, en met name Einsteins algemene relativiteitstheorie, te testen.
Credit:ESO/L. Calçada/spaceengine.org

‘Onze eerste waarnemingen van S2 met GRAVITY, ongeveer twee jaar geleden, toonden al aan dat het zwarte gat een ideaal onderzoekslaboratorium was,’ voegt Frank Eisenhauer (MPE), hoofdonderzoeker van GRAVITY en de SINFONI-spectrograaf daaraan toe. ‘Tijdens de dichte passage konden we op de meeste opnamen zelfs de zwakke gloed rond het zwarte gat waarnemen, waardoor we de ster precies in zijn baan konden volgen, wat uiteindelijk leidde tot de detectie van de gravitationele roodverschuiving in het spectrum van S2.’

Meer dan honderd jaar nadat hij zijn artikel publiceerde waarin hij de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie uiteenzet, heeft Einstein opnieuw gelijk gekregen – in een veel extremer ‘laboratorium’ dan hij zich ooit heeft kunnen voorstellen!

Françoise Delplancke, hoofd van de System Engineering Department bij ESO, legt het belang van de waarnemingen uit: ‘Hier in het zonnestelsel kunnen we de wetten van de natuurkunde alleen nu en onder bepaalde omstandigheden testen. De astronomie heeft de belangrijke taak om te controleren of deze wetten ook geldig zijn op plaatsen waar de zwaartekrachtvelden veel sterker zijn.’

Van de voortgaande waarnemingen wordt verwacht dat ze heel binnenkort een ander relativistisch effect zullen laten zien: een geringe draaiing van de baan van de ster, de zogeheten Schwarzschild-precessie, die zou optreden terwijl S2 van het zwarte gat weg beweegt.

Xavier Barcons, directeur-generaal van ESO, concludeert: ‘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 ze te implementeren in de VLT op Paranal. De ontdekking die vandaag is aangekondigd, is het spannende resultaat van een opmerkelijke samenwerking.’


Dit diagram toont de beweging van de ster S2 tijdens zijn nadering van het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Het is gebaseerd op waarnemingen met de GRAVITY-instrument in de VLT Interferometer. Bij het bereiken van het punt dat het dichtst bij het zwarte gat lag, bewoog de ster met bijna 3 procent van de lichtsnelheid en was van nacht tot nacht te zien hoe hij zich verplaatste. De afmetingen van het zwarte gat en de ster zijn niet op schaal.
Credit:ESO/MPE/GRAVITY Collaboration


Deze foto is een van de honderden die, verspreid over een periode van 20 jaar, met het NACO-instrument van ESO’s Very Large Telescope in Chili zijn gemaakt. De opnamen zijn gebruikt om de bewegingen van de sterren die om het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg draaien in kaart te brengen.Credit:ESO/MPE









http://www.eso.org/public/netherlands/n ... 5/?lang=nl