24 oktober 2020

Eerste geslaagde test van Einsteins algemene relativiteitstheorie bij superzwaar zwart gat

Artist’s impression van S2 terwijl deze het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg passeert. 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. Hier is het vakartikel over de waarnemingen.

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.

Artist’s impression van S2 terwijl deze het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg passeert – met tekst Credit:ESO/M. Kornmesser

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] .

Baandiagram van S2 bij het zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Credit:ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

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 banen van sterren rond het zwarte gat in het hart van de Melkweg. Credit:ESO/L. Calçada/spaceengine.org

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 Astrofysica 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] .

De dagelijkse beweging van de ster S2, zoals gezien met GRAVITY. 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.

‘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.’ Bron: ESO.

  1. GRAVITY is ontwikkeld door een samenwerkingsverband van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (Duitsland), LESIA van het Observatoire de Paris–PSL/CNRS/Sorbonne Université/Univ. Paris Diderot en IPAG van Université Grenoble Alpes/CNRS (Frankrijk), het Max-Planck-Institut für Astronomie (Duitsland), de Universität zu Köln (Duitsland), CENTRA-Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) en ESO. []
  2. S2 doorloopt een zeer excentrische baan en nadert het zwarte gat eens in de 16 jaar tot op minder dan twintig miljard kilometer – 120 keer de afstand zon-aarde of ongeveer vier keer de afstand zon-Neptunus. Deze afstand komt overeen met ongeveer 1500 keer de Schwarzschild-straalvan het zwarte gat zelf. []
  3. Waarnemingen van het centrum van de Melkweg moeten worden gedaan op langere golflengten (in dit geval infrarood), omdat dichte stofwolken dit gebied op visuele golflengten aan het zicht onttrekken. []

Comments

  1. Is het komkommerijd?
    “de bekroning van een 26 jaar durende waarnemingscampagne met de telescopen van ESO in Chili.”

  2. Relativistische Komkommers.

  3. Peribothron… klinkt als een besmettelijke ziekte Arie 😀
    En wat vind ik op het web: G2, een “wolk” dat door Srg A* eerder op het menu stond met wat mooie doppler plaatjes, die krijgen we dus nog van S1.
    https://briankoberlein.com/2015/03/29/peribothron/
    https://www.space.com/31524-black-holes-rejected-snack-becomes-science-goldmine.html

  4. Mooie time-laps rond Sgr A* over 20 jaar in Nature.
    Milky Way’s black hole provides long-sought test of Einstein’s general relativity
    bron: https://www.nature.com/articles/d41586-018-05825-3

  5. Ik begrijp het plaatje met de baanellips niet: a) de ellips ziet er gesloten uit, terwijl ik verwachtte een “peribothronverschuiving”(zoals de periheliumverschuiving van Mercurius) te zien. En, b) Het zwarte gat staat niet in een van de brandpunten van de baanellips.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: