Waarnemingen gedaan met ESO's Very Large Telescope (VLT) hebben voor het eerst onthuld dat een ster die rond het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg draait, precies beweegt zoals voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Zijn baan heeft de vorm van een rozet en niet als een ellips zoals voorspeld door de zwaartekrachttheorie van Newton. Dit lang gezochte resultaat werd mogelijk gemaakt door steeds nauwkeurigere metingen gedurende bijna 30 jaar, die wetenschappers in staat hebben gesteld de mysteries te ontrafelen van de kolos die op de loer ligt in het hart van onze melkweg.

"De algemene relativiteitstheorie van Einstein voorspelt dat gebonden banen van het ene object rond het andere niet gesloten zijn, zoals in Newtoniaanse zwaartekracht, maar vooruit in het bewegingsvlak. Dit beroemde effect - voor het eerst gezien in de baan van de planeet Mercurius rond de zon - was het eerste bewijs in het voordeel van de algemene relativiteitstheorie. Honderd jaar later hebben we nu hetzelfde effect waargenomen in de beweging van een ster die rond de compacte radiobron Sagittarius A* in het centrum van de Melkweg draait. Deze waarnemingsdoorbraak versterkt het bewijs dat Boogschutter A* een superzwaar zwart gat moet zijn van 4 miljoen keer de massa van de zon, " zegt Reinhard Genzel, Directeur van het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica (MPE) in Garching, Duitsland en de architect van het 30 jaar durende programma dat tot dit resultaat heeft geleid.

Op 26 000 lichtjaar van de zon, Sagittarius A* en de dichte sterrenhoop eromheen vormen een uniek laboratorium voor het testen van natuurkunde in een verder onontgonnen en extreem zwaartekrachtregime. Een van deze sterren, S2, zwaait in de richting van het superzware zwarte gat tot een dichtstbijzijnde afstand van minder dan 20 miljard kilometer (honderdtwintig keer de afstand tussen de zon en de aarde), waardoor het een van de dichtstbijzijnde sterren is die ooit in een baan rond de enorme reus zijn gevonden. Bij de dichtste nadering van het zwarte gat, S2 raast door de ruimte met bijna drie procent van de lichtsnelheid, eens in de 16 jaar een baan voltooien. "Na de ster meer dan twee en een halve decennia in zijn baan te hebben gevolgd, onze voortreffelijke metingen detecteren krachtig de Schwarzschild-precessie van S2 op zijn pad rond Boogschutter A *, " zegt Stefan Gillessen van de MPE, die de analyse leidde van de metingen die vandaag in het tijdschrift zijn gepubliceerd Astronomie en astrofysica .

De meeste sterren en planeten hebben een niet-cirkelvormige baan en bewegen daarom dichter bij en verder weg van het object waar ze omheen draaien. S2's baan precessen, wat betekent dat de locatie van het dichtstbijzijnde punt bij het superzware zwarte gat verandert met elke draai, zodanig dat de volgende baan wordt gedraaid ten opzichte van de vorige, het creëren van een rozetvorm. De algemene relativiteitstheorie geeft een nauwkeurige voorspelling van hoeveel zijn baan verandert en de laatste metingen van dit onderzoek komen exact overeen met de theorie. Dit effect, bekend als de Schwarzschild-precessie, was nog nooit eerder gemeten voor een ster rond een superzwaar zwart gat.

De studie met ESO's VLT helpt wetenschappers ook om meer te weten te komen over de nabijheid van het superzware zwarte gat in het centrum van onze melkweg. "Omdat de S2-metingen de algemene relativiteitstheorie zo goed volgen, we kunnen strikte limieten stellen aan hoeveel onzichtbaar materiaal, zoals gedistribueerde donkere materie of mogelijk kleinere zwarte gaten, is aanwezig rond Boogschutter A*. Dit is van groot belang voor het begrijpen van de vorming en evolutie van superzware zwarte gaten, " zeggen Guy Perrin en Karine Perraut, de Franse hoofdwetenschappers van het project.

Dit resultaat is het hoogtepunt van 27 jaar observaties van de S2-ster met behulp van, voor het grootste deel van deze tijd, een vloot instrumenten bij ESO's VLT, gelegen in de Atacama-woestijn in Chili. Het aantal datapunten dat de positie en snelheid van de ster markeert, getuigt van de grondigheid en nauwkeurigheid van het nieuwe onderzoek:het team heeft in totaal meer dan 330 metingen gedaan, met behulp van de GRAVITY, SINFONI- en NACO-instrumenten. Omdat S2 er jaren over doet om om het superzware zwarte gat te draaien, het was cruciaal om de ster bijna drie decennia te volgen, om de fijne kneepjes van zijn orbitale beweging te ontrafelen.

Het onderzoek is uitgevoerd door een internationaal team onder leiding van Frank Eisenhauer van de MPE met medewerkers uit Frankrijk, Portugal, Duitsland en ESO. Het team vormt de GRAVITY-samenwerking, genoemd naar het instrument dat ze ontwikkelden voor de VLT Interferometer, die het licht van alle vier de 8-meter VLT-telescopen combineert tot een supertelescoop (met een resolutie gelijk aan die van een telescoop met een diameter van 130 meter). Hetzelfde team rapporteerde in 2018 een ander effect dat was voorspeld door de algemene relativiteitstheorie:ze zagen dat het licht dat van S2 werd ontvangen, werd uitgerekt tot langere golflengten toen de ster dicht bij Boogschutter A* passeerde. "Ons eerdere resultaat heeft aangetoond dat het licht van de ster de algemene relativiteitstheorie ervaart. Nu hebben we aangetoond dat de ster zelf de effecten van de algemene relativiteitstheorie waarneemt, " zegt Paulo Garcia, een onderzoeker bij het Portugese Centrum voor Astrofysica en Gravitatie en een van de leidende wetenschappers van het GRAVITY-project.

Met ESO's aankomende Extreem Grote Telescoop, het team gelooft dat ze veel zwakkere sterren zouden kunnen zien die nog dichter bij het superzware zwarte gat cirkelen. "Als we geluk hebben, we kunnen sterren zo dichtbij vastleggen dat ze de rotatie echt voelen, het draaien, van het zwarte gat, " zegt Andreas Eckart van de universiteit van Keulen, een van de leidende wetenschappers van het project. Dit zou betekenen dat astronomen de twee grootheden zouden kunnen meten, spin en massa, die Boogschutter A* karakteriseren en ruimte en tijd eromheen definiëren. "Dat zou weer een heel ander niveau zijn om de relativiteit te testen, ’ zegt Eckart.

Dit onderzoek werd gepresenteerd in de paper "Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactische centrum massief zwart gat" om te verschijnen in Astronomie en astrofysica .