Группа немецких и чешских астрономов впервые показала возможность экспериментального обнаружения релятивистских эффектов у звезд, связанных со сверхмассивной черной дырой в центре Млечного Пути, определив у одной из них отклонения в орбитальном движении, предсказанные общей теорией относительности. Научная статья опубликована в журнале The Astrophysical Journal, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе на сайте Европейской южной обсерватории.

С момента появления общей теории относительности Эйнштейна физики смогли провести несколько подтверждающих ее экспериментов: обнаружить отклонение света звезд вблизи Солнца (или пронаблюдать явление гравитационной линзы на примере далеких галактик), заметить замедление времени при движении в гравитационном поле, измерить смещение перицентра орбиты на замкнутой траектории (аномальный сдвиг перигелия Меркурия) и несколько раз зарегистрировать гравитационные волны. Недавний анализ наблюдений за скоплением звезд в центре нашей галактики Млечный Путь дал ученым еще одну возможность ближе познакомиться с проявлениями общей теории относительности.

В В 2002 году результаты наблюдений за группой быстро движущихся звезд, известной как S-скопление, открыли существование в центре Млечного Пути сверхмассивной черной дыры (Стрелец А*). Небольшое расстояние до черной дыры и высокие скорости некоторых звезд скопления делают эту систему прекрасной «экспериментальной площадкой» для проверки явлений, предсказанных общей теорией относительности. Успех проведения такой проверки во многом определяется точностью, с которой известны параметры сверхмассивной черной дыры, а именно ее массы и расстояния от нее до близлежащих звезд. Они позволяют определить значение радиуса Шварцшильда и дают основу для понимания и более точного моделирования движения звезд по орбитам вблизи черной дыры.

Центральная часть Млечного Пути при наблюдениях в ближнем инфракрасном диапазоне. Отмечены положения сверхмассивной черной дыры (Sgr A*) и близкой к ней звезды S2.

В работе исследователи использовали три звезды с самыми короткими периодами движения (S2, S38 и S55/S0-102) в качестве пробных частиц на разных орбитах вокруг черной дыры. Наблюдения за ними велись на протяжении последних 16 лет при помощи инструмента NAOS-CONICA и инфракрасной камеры SINFONI, установленных на телескопах комплекса VLT (Very Large Telescope) в Европейской южной обсерватории, кроме того астрономы использовали архивные данные из других источников. В дальнейшем ученые проводили моделирования и рассчитывали орбиты звезд с учетом классической физики и релятивистской теории, а затем пытались обнаружить теоретическое расхождение между ними в наблюдательных данных.

https://www.youtube.com/watch?v=pr19az4xj1k

Итогом стало обнаружение предсказанных расхождений в параметрах орбиты звезды S2 и оценки массы сверхмассивной черной дыры (4,2 миллиона масс Солнца) и ее расстояния от Солнца (8,2 килопарсека). Изменение в форме орбиты звезды составляет несколько процентов, а изменение ориентации – около одной шестой части градуса, что в пределах погрешности хорошо совпадает со значением, которое дает теория.

Сравнение форм орбит (верхняя картинка) и склонения (нижняя картинка) звезды S2, рассчитанных на основе ньютоновской (красный цвет) и релятивистской (синий цвет) теорий. Фиолетовыми точками отмечены апоапсы орбит, синей и красной — периапсы.

Проведенная работа открывает большие перспективы для экспериментальных и теоретических исследований в этой области астрофизики. Решающую роль в подобных экспериментах имеет точность измерения звездной орбиты. Поэтому одной из задач будущих исследований станет уточнение орбиты звезды S2, для чего планируется использовать приемник GRAVITY, установленный на интерферометре VLTI. Эксперимент будет проведен в 2018 году, когда звезда S2 подойдет к черной дыре достаточно близко.