Впервые предсказания общей теории относительности проверены на движении звезды вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики.

Вслед за недавним открытием гравитационных волн астрономы получили еще одно подтверждение справедливости общей теории относительности Эйнштейна. Они впервые обнаружили предсказываемые этой теорией особенности движения звезды в очень сильном гравитационном поле, созданном сверхмассивной черной дырой в центре нашей Галактики, Млечного Пути.

Орбита S2 вокруг черной дыры, которая изображена черным кружком. Отрезок в центре показывает масштаб – 400 а.е.

Увеличенный фрагмент орбиты S2 для 2018 года.

Орбиты S2 и ещё 5 звёзд, обращающихся вокруг черной дыры в центре Млечного пути. В правом нижнем углу для сравнения приведена Солнечная система (рис. ru.wikipedia.org).

«Очень Большой Телескоп» ESO. Установлен на горе Серро Параналь в пустыне Атакама (Чили)

Этого большого успеха добились астрономы Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, вот уже 26 лет наблюдающие за центром Галактики на «Очень Большом Телескопе» (Very Large Telescope, VLT). В своей работе они сравнили измеренные за 26 лет различными инструментами положения и скорости звезды S2 с предсказаниями различных теорий гравитации и выяснили, что полученные результаты не согласуются с предсказаниями ньютоновской теории гравитации, зато находятся в прекрасном соответствии с общей теорией относительности. Об этом они рассказали в журнале Astronomy & Astrophysics

На расстоянии около 26 000 световых лет от Земли в созвездии Стрельца расположен центр нашей Галактики, в котором находится сверхмассивный объект, представляющий собой, по всей видимости, черную дыру. В космическом пространстве он ассоциируется с радиоисточником, который у астрономов получил название Стрелец А* (Sgr A*). Параметры этой черной дыры были получены благодаря исследованию движения звезд, обращающихся вокруг нее на малых расстояниях. В первую очередь звезды S2, которая наиболее близко подходит к Стрельцу А*. Наблюдения за ней ведутся с 1992 года. Обращаясь вокруг Sgr A* за 16 лет, эта звезда приближается к нему на 120 астрономических единиц (1 а.е. – равна расстоянию от Земли до Солнца, около 150 миллионов км), что всего в четыре раза больше, чем расстояние от Солнца до Нептуна. Размер самой черной дыры, её радиус Шварцшильда, составляет около 1 а.е.

По последним оценкам масса Sgr A* превышает четыре миллиона солнечных масс. Это означает, что звезда S2 находится в мощнейшем поле гравитации. Ее орбитальная скорость достигает фантастического значения в 7650 км/с. Поэтому при ее движении должны отчетливо проявляться эффекты, предсказываемые современной теорией гравитации – общей теорией относительности, начало разработки которой положил Альберт Эйнштейн более ста лет тому назад. Всё это делает S2 прекрасной лабораторией для исследования гравитации и проверки общей теории относительности.

Когда S2 приближалась к Sgr A* в прошлый раз, в 2002 году, в распоряжении астрономов еще не было достаточно точных инструментов, чтобы надёжно обнаружить эти эффекты. Но к следующему сближению, которое состоялось в мае 2018 года, исследователи тщательно подготовились.

В частности, в 2004 году заработал чрезвычайно чувствительный инфракрасный спектрометр SINFONI, а для очень точных измерений орбиты S2 исследователи с 2012 года используют инструмент GRAVITY, объединяющий сразу все четыре телескопа VLT с диаметром зеркала 8,2 м в режиме интерферометра (VLTI). В результате VLT эквивалентен по угловому разрешению телескопу с зеркалом 130 метров, что делает его самым большим оптическим телескопом на Земле. Его угловое разрешение достигает нескольких миллисекунд дуги. А системы адаптивной оптики позволяют получать в инфракрасном диапазоне изображения, в 4 раза более чёткие, чем космический телескоп Хаббла.

Новые измерения позволили обнаружить у S2 так называемое гравитационное красное смещение. Очень сильное гравитационное поле черной дыры увеличивает длины волн испускаемого звездой излучения, как бы растягивая их. Это приводит к смещению спектральных линий в красную сторону спектра по мере приближения S2 к черной дыре. Затем они возвращаются на место при удаления звезды. Это изменение длин волн в точности совпадает с тем, которое предсказывает общая теория относительности.

Астрономы надеются, что дальнейшие наблюдения за S2 к 2020 году позволят обнаружить еще один релятивистский эффект - смещение эллиптической орбиты звезды вокруг черной дыры, известное также как прецессия Шварцшильда. При этом эллипс орбиты немного повернется в пространстве по сравнению с предыдущим положением.100 лет тому назад величина смещения орбиты Меркурия, правильно вычисляемая общей теорией относительности, стала одним из важнейших аргументов в её пользу.

  По материалам Пресс релиза ESO