Чорна діра підтвердила теорію відносності

Зірка, що обертається в самому центрі нашої галактики навколо чорної діри, дозволила перевірити теорію відносності Ейнштейна. Спостерігаючи за нею 30 років, вчені виявили тонкий ефект, передбачений століття тому.

Десятиліттями вдивляючись в рух єдиної зірки в самому центрі нашої галактики, астрономи помітили в її орбіті найтонші відхилення, які вперше підтвердили правоту загальної теорії відносності Ейнштейта на таких масштабах далеко від сонця.

До появи загальної теорії відносності при описі руху космічних тіл астрономи покладалися на закони ньютонівської механіки. Однак ОТГ, запропонована в 1915 році Альбертом Ейнштейном, постулювала, що природа гравітації більш складна і на рух астрофізичних об'єктів впливає кривизна простору-часу.

Викривлення це викликають найважчі об'єкти, такі як зірки, планети і чорні діри, подібно до того, як важка куля, поміщена в центр батута, викривляє під собою його поверхню. Одним з передбачень ОТО стало твердження, що перигелії всіх планетних орбіт повинні прецесувати, тобто зміщуватися при кожному обороті планети.

Спостережувана прецесія перигелію Меркурія стала першим спостережуваним доказом вірності теорії відносності.

За більш ніж століття ОТГ отримала ряд спостережних підтверджень, зокрема, існують три широко відомих класичних ефекти-зміщення перигелію орбіти Меркурія, відхилення світлових променів в гравітаційному полі Сонця і уповільнення часу в гравітаційному полі.

Перевірити постулати ОТГ на великих відстанях вчені спробували, поспостерігавши за центральною областю Чумацького Шляху Sagittarius A*, де, згідно з сучасними даними, є надмасивна чорна діра масою в 4 млн мас Сонця. Область поблизу цієї діри вже давно притягує підвищену увагу вчених, так як вона населена великим числом молодих і старих зірок, що обертаються навколо неї.

Вченим відомі рухи близько 10 тис.орбіт таких зірок, і для 50 з них побудовані точні орбіти.

Орбіту однієї з них, зірки S2, вченим вдалося досліджувати з особливою точністю за допомогою телескопа VLT в Чилі. Рухаючись по еліптичній орбіті, зірка підходить до діри на відстань менше 20 млрд кілометрів (120 відстаней від Землі до сонця), що робить її одним з найбільш близьких до чорної діри відомих об'єктів. У цей момент зірка сильно прискорюється, набуваючи швидкість, рівну 3% швидкості світла. Повний оборот зірка здійснює за 16 років.

«Після спостереження за орбітою зірки протягом двох з половиною десятків років наші тонкі вимірювання надійно показали шварцшильдівську прецесію навколо Sagittarius A*, - пояснив Стефан Гіллессен з Інституту позаземної фізики Товариства Макса Планка, автор статті, опублікованої в журналі Astronomy & Astrophysics.

За цей час вчені виявили, що точка максимального зближення зірки з дірою трохи зміщується після кожного звернення (на 12 кутових хвилин), причому величина цього зсуву в точності збігається з розрахунковою величиною. Раніше цей ефект, хоча в його наявності вчені і не сумнівалися, ніколи не спостерігався у зірки, що обертається поблизу надмасивної чорної діри.

Крім перевірки ОТГ спостережуваний ефект дозволить вченим краще досліджувати околиці чорної діри. «Оскільки спостереження за S2 так добре лягають на ОТВ, ми можемо накласти суворі обмеження на кількість невидимої речовини - темної матерії і можливих невеликих чорних дір навколо Sagittarius A*. Це представляє величезний інтерес для розуміння утворення та еволюції надмасивних чорних дір», — вважає Гай Перрін, співавтор роботи.

Оскільки повний оборот навколо чорної діри зірка здійснює за 16 років, вченим було необхідно простежити за зміною її орбіти протягом майже трьох десятків років. За допомогою трьох різних інструментів за ці роки вони виміряли точне положення і швидкість зірки в 330 різних точках орбіти.

«Загальна теорія відносності Ейнштейна передбачає, що обмежені орбіти тіл не є замкнутими, як у ньютонівській гравітації, а прецесують вперед у площині руху. Цей відомий ефект, вперше побачений в орбіті Меркурія, був першим доказом ОТВ. Через сто років ми виявили той же ефект у русі зірки навколо компактного радіоджерела Sagittarius A * в центрі Чумацького Шляху", - пояснив Ренхард Генцель, директор Інституту.