1915 veröffentlichte Albert Einstein seine berühmte Allgemeine Relativitätstheorie, die eine einheitliche Beschreibung der Schwerkraft als geometrische Eigenschaft von Raum und Zeit lieferte. Diese Theorie führte zur modernen Gravitationstheorie und revolutionierte unser Verständnis der Physik. Obwohl seitdem ein Jahrhundert vergangen ist, führen Wissenschaftler immer noch Experimente durch, die die Vorhersagen seiner Theorie bestätigen.
Dank der jüngsten Beobachtungen eines Teams internationaler Astronomen (bekannt als GRAVITY-Kollaboration) wurden die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie erstmals mit einem Supermassiven Schwarzen Loch (SMBH) entdeckt. Diese Ergebnisse waren der Höhepunkt einer 26-jährigen Beobachtungskampagne der SMBH im Zentrum der Milchstraße (Schütze A *) unter Verwendung der Instrumente der Europäischen Südsternwarte (ESO).
Die Studie, die die Ergebnisse des Teams beschreibt, wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Astronomie und Astrophysikmit dem Titel „Detektion der Gravitationsrotverschiebung in der Umlaufbahn des Sterns S2 in der Nähe des massiven Schwarzen Lochs des galaktischen Zentrums“. Die Studie wurde von Roberto Arbuto von der ESO geleitet und umfasste Mitglieder der GRAVITY-Kollaboration, die von Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für außerirdische Physik (MPE) geleitet wird und Astronomen mehrerer europäischer Universitäten und Forschungsinstitute umfasst.
Für ihre Studie stützte sich das Team auf Daten, die von den äußerst empfindlichen und hochpräzisen Instrumenten des VLT gesammelt wurden. Dazu gehörten das astrometrische und interferometrische Instrument GRAVITY, der Spektrograph für integrale Feldbeobachtungen im Nahinfrarotinstrument (SINFONI) und das Instrument NAOS (Nasmyth Adaptive Optics System) - Nahinfrarot-Imager und Spektrograph (CONICA), die zusammen als CONICA bekannt sind NACO.
Die neuen Infrarotbeobachtungen, die mit diesen Instrumenten gesammelt wurden, ermöglichten es dem Team, einen der Sterne (S2) zu überwachen, der den Schützen A * umkreist, als er vor dem Schwarzen Loch vorbeifuhr - das im Mai 2018 stattfand. Am nächsten Punkt seiner Umlaufbahn Der Stern befand sich in einer Entfernung von weniger als 20 Milliarden km (12,4 Milliarden Meilen) vom Schwarzen Loch und bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 25 Millionen km / h - fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit .
Während das SINFONI-Instrument zur Messung der Geschwindigkeit von S2 zur Erde hin und von dieser weg verwendet wurde, führte das GRAVITY-Instrument im VLT-Interferometer (VLTI) außerordentlich genaue Messungen der sich ändernden Position von S2 durch, um die Form seiner Umlaufbahn zu definieren. Das GRAVITY-Instrument erzeugte dann die scharfen Bilder, die die Bewegung des Sterns zeigten, als er sich dem Schwarzen Loch näherte.
Das Team verglich dann die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen mit früheren Beobachtungen von S2 unter Verwendung anderer Instrumente. Anschließend verglichen sie diese Ergebnisse mit Vorhersagen des Newtonschen Gesetzes der universellen Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie und anderer Gravitationstheorien. Wie erwartet stimmten die neuen Ergebnisse mit den Vorhersagen von Einstein vor über einem Jahrhundert überein.
Wie Reinhard Genzel, der nicht nur Leiter der GRAVITY-Zusammenarbeit, sondern auch Mitautor des Papiers war, in einer kürzlich veröffentlichten ESO-Pressemitteilung erklärte:
„Dies ist das zweite Mal, dass wir den engen Durchgang von S2 um das Schwarze Loch in unserem galaktischen Zentrum beobachten. Aufgrund der stark verbesserten Instrumentierung konnten wir diesmal den Stern mit beispielloser Auflösung beobachten. Wir haben uns über mehrere Jahre intensiv auf dieses Ereignis vorbereitet, um diese einmalige Gelegenheit zu nutzen und allgemeine relativistische Effekte zu beobachten. “
Bei der Beobachtung mit den neuen Instrumenten des VLT stellte das Team einen Effekt fest, der als Gravitationsrotverschiebung bezeichnet wird und bei dem das von S2 kommende Licht seine Farbe änderte, als es sich dem Schwarzen Loch näherte. Dies wurde durch das sehr starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs verursacht, das die Wellenlänge des Sternenlichts streckte und es zum roten Ende des Spektrums hin verschob.
Die Änderung der Wellenlänge des Lichts von S2 stimmt genau mit den Vorhersagen der Einsteinschen Feldgleichung überein. Frank Eisenhauer - Forscher am Max-Planck-Institut für außerirdische Physik, Principal Investigator of GRAVITY und SINFONI-Spektrograph sowie Mitautor der Studie - erklärte:
“Unsere ersten Beobachtungen von S2 mit GRAVITY vor ungefähr zwei Jahren haben bereits gezeigt, dass wir das ideale Schwarzlochlabor haben würden. Während des nahen Durchgangs konnten wir auf den meisten Bildern sogar das schwache Leuchten um das Schwarze Loch erkennen, wodurch wir dem Stern auf seiner Umlaufbahn genau folgen konnten, was letztendlich zur Erkennung der Gravitationsrotverschiebung im Spektrum von S2 führte.”
Während andere Tests durchgeführt wurden, die Einsteins Vorhersagen bestätigten, ist dies das erste Mal, dass die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Bewegung eines Sterns um ein supermassives Schwarzes Loch beobachtet wurden. In dieser Hinsicht hat sich Einstein erneut als richtig erwiesen, indem er eines der bislang extremsten Labors verwendet hat! Darüber hinaus wurde bestätigt, dass Tests mit relativistischen Effekten zeitlich und räumlich konsistente Ergebnisse liefern können.
„Hier im Sonnensystem können wir die Gesetze der Physik nur jetzt und unter bestimmten Umständen testen“, sagte Françoise Delplancke, Leiterin der Abteilung System Engineering bei ESO. "Daher ist es in der Astronomie sehr wichtig, auch zu überprüfen, ob diese Gesetze noch gültig sind, wenn die Gravitationsfelder sehr viel stärker sind."
In naher Zukunft wird ein weiterer relativistischer Test möglich sein, wenn sich S2 vom Schwarzen Loch entfernt. Dies ist als Schwarzschild-Präzession bekannt, bei der erwartet wird, dass der Stern in seiner Umlaufbahn eine kleine Rotation erfährt. Die GRAVITY Collaboration wird S2 überwachen, um diesen Effekt ebenfalls zu beobachten, und sich erneut auf die sehr präzisen und empfindlichen Instrumente des VLT verlassen.
Wie Xavier Barcons (Generaldirektor der ESO) anzeigte, wurde diese Leistung dank des Geistes der internationalen Zusammenarbeit ermöglicht, der durch die Zusammenarbeit von GRAVITY und die Instrumente, die sie der ESO bei der Entwicklung halfen, repräsentiert wird:
„Die ESO arbeitet seit über einem Vierteljahrhundert mit Reinhard Genzel und seinem Team sowie Mitarbeitern in den ESO-Mitgliedstaaten zusammen. Es war eine große Herausforderung, die einzigartig leistungsfähigen Instrumente zu entwickeln, die für diese sehr heiklen Messungen erforderlich sind, und sie am VLT in Paranal einzusetzen. Die heute angekündigte Entdeckung ist das sehr aufregende Ergebnis einer bemerkenswerten Partnerschaft. “
Schauen Sie sich auch dieses Video des erfolgreichen Tests der GRAVITY Collaboration an, das von der ESO zur Verfügung gestellt wurde:
