Waarnemingen met ESO's Very Large Telescope hebben voor het eerst de effecten onthuld die door Einsteins algemene relativiteitstheorie zijn voorspeld op de beweging van een ster die door het extreme zwaartekrachtsveld nabij het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg gaat. Dit lang gezochte resultaat vertegenwoordigt het hoogtepunt van een 26 jaar durende observatiecampagne met behulp van ESO's telescopen in Chili.

Verduisterd door dikke wolken absorberend stof, het dichtstbijzijnde superzware zwarte gat bij de aarde bevindt zich op 26.000 lichtjaar afstand in het centrum van de Melkweg. Dit zwaartekrachtmonster, die een massa heeft van vier miljoen keer die van de zon, wordt omringd door een kleine groep sterren die er met hoge snelheid omheen cirkelen. Deze extreme omgeving - het sterkste zwaartekrachtveld in onze melkweg - maakt het de perfecte plek om zwaartekrachtfysica te verkennen, en in het bijzonder om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen.

Nieuwe infraroodwaarnemingen van de uiterst gevoelige GRAVITY, SINFONI- en NACO-instrumenten van ESO's Very Large Telescope (VLT) hebben astronomen nu in staat gesteld een van deze sterren te volgen, genaamd S2, omdat hij in mei 2018 heel dicht langs het zwarte gat kwam. Op het dichtstbijzijnde punt bevond deze ster zich op een afstand van minder dan 20 miljard kilometer van het zwarte gat en bewoog hij met een snelheid van meer dan 25 miljoen kilometer per uur - bijna drie procent van de lichtsnelheid.

Het team vergeleek de positie- en snelheidsmetingen van respectievelijk GRAVITY en SINFONI, samen met eerdere observaties van S2 met behulp van andere instrumenten, met de voorspellingen van de Newtoniaanse zwaartekracht, algemene relativiteitstheorie en andere zwaartekrachttheorieën. De nieuwe resultaten zijn inconsistent met de voorspellingen van Newton en komen uitstekend overeen met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie.

Deze uiterst nauwkeurige metingen zijn gedaan door een internationaal team onder leiding van Reinhard Genzel van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) in Garching, Duitsland, in samenwerking met medewerkers over de hele wereld, bij het Observatorium van Parijs-PSL, de Université Grenoble Alpes, CNRS, het Max Planck Instituut voor Sterrenkunde, de Universiteit van Keulen, het Portugese CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação en ESO. De waarnemingen zijn het hoogtepunt van een 26-jarige reeks van steeds nauwkeuriger waarnemingen van het centrum van de Melkweg met behulp van ESO-instrumenten.

"Dit is de tweede keer dat we de nauwe passage van S2 rond het zwarte gat in ons galactische centrum hebben waargenomen. Maar deze keer, dankzij de sterk verbeterde instrumentatie, konden we de ster observeren met een ongekende resolutie, " legt Genzel uit. "We hebben ons jarenlang intensief op dit evenement voorbereid, omdat we deze unieke kans wilden benutten om algemeen relativistische effecten waar te nemen."

De nieuwe metingen onthullen duidelijk een effect dat gravitationele roodverschuiving wordt genoemd. Het licht van de ster wordt uitgerekt tot langere golflengten door het zeer sterke zwaartekrachtsveld van het zwarte gat. En de verandering in de golflengte van het licht van S2 komt precies overeen met die voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Dit is de eerste keer dat deze afwijking van de voorspellingen van de eenvoudigere Newtoniaanse zwaartekrachttheorie is waargenomen in de beweging van een ster rond een superzwaar zwart gat.

Het team gebruikte SINFONI om de snelheid van S2 naar en weg van de aarde te meten en het GRAVITY-instrument in de VLT Interferometer (VLTI) om buitengewoon nauwkeurige metingen te doen van de veranderende positie van S2 om de vorm van zijn baan te bepalen. GRAVITY maakt zulke scherpe beelden dat het de beweging van de ster van nacht tot nacht kan onthullen wanneer deze dicht bij het zwarte gat komt - 26.000 lichtjaar van de aarde.

"Onze eerste waarnemingen van S2 met GRAVITY, ongeveer twee jaar geleden, toonden al aan dat we het ideale laboratorium voor zwarte gaten zouden hebben, " voegt Frank Eisenhauer (MPE) toe, Hoofdonderzoeker van GRAVITY en de SINFONI-spectrograaf. "Tijdens de nauwe passage, we konden zelfs de vage gloed rond het zwarte gat op de meeste afbeeldingen detecteren, waardoor we de ster precies in zijn baan konden volgen, uiteindelijk leidend 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 uiteenzette, Einstein heeft opnieuw gelijk gekregen - in een veel extremer laboratorium dan hij zich ooit had kunnen voorstellen!

Françoise Delplancke, hoofd van de afdeling System Engineering bij ESO, legt de betekenis van de waarnemingen uit:"Hier in het zonnestelsel kunnen we de natuurwetten alleen nu en onder bepaalde omstandigheden testen. Het is dus erg belangrijk in de astronomie om ook te controleren of die wetten nog steeds gelden waar de zwaartekrachtvelden veel sterker zijn ."

Voortdurende waarnemingen zullen naar verwachting zeer binnenkort een ander relativistisch effect onthullen:een kleine rotatie van de baan van de ster, bekend als Schwarzschild-precessie - terwijl S2 zich van het zwarte gat verwijdert.

Xavier Barcons, ESO's directeur-generaal, 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 in te zetten op de VLT in Paranal. De vandaag aangekondigde ontdekking is het zeer opwindende resultaat van een opmerkelijke samenwerking."