Waarnemingen met ESO’s Very Large Telescope (VLT) hebben voor het eerst aangetoond dat een ster die in een baan om het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg draait precies zo beweegt als Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt. Zijn baan is rozetvormig in plaats van elliptisch, zoals Newtons zwaartekrachttheorie suggereert. Dit resultaat, waarnaar lang is gezocht, is te danken aan een reeks metingen van toenemende nauwkeurigheid die zich over een periode van bijna dertig jaar uitstrekt. ‘Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat de omloopbaan van het ene object om het andere niet gesloten is, zoals voorspeld door de zwaartekrachttheorie van Newton, maar een voorwaartse precessiebeweging maakt.
Dit beroemde effect – voor het eerst waargenomen bij de baanbeweging van de planeet Mercurius om de zon – was het eerste bewijs dat de algemene relativiteitstheorie bevestigde. Nu, honderd jaar later, hebben we hetzelfde effect gedetecteerd bij de beweging van een ster die om de compacte radiobron Sagittarius A* in het centrum van de Melkweg draait. Deze observationele doorbraak versterkt het bewijs dat Sagittarius A* een superzwaar zwart gat met 4 miljoen keer de massa van de zon moet zijn,’ zegt Reinhard Genzel, directeur van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), in Garching, Duitsland, en tevens de architect van het dertig jaar lange onderzoeksprogramma dat tot dit resultaat heeft geleid. Sagittarius A* en de verzameling sterren daaromheen vormen een uniek laboratorium op 26.000 lichtjaar afstand dat kan worden gebruikt voor het testen van de natuurkunde in een extreem, onverkend zwaartekrachtsregime. Een van deze sterren, S2, scheert tot op een afstand van minder dan 20 miljard kilometer (120 keer de afstand zon-aarde) langs het superzware zwarte gat, en is daarmee een van de meest nabije sterren die ooit bij dit zwaargewicht zijn opgespoord. Over elke omloop doet S2 zestien jaar en tijdens zijn dichtste nadering tot het zwarte gat verplaatst hij zich met bijna drie procent van de lichtsnelheid. ‘Na de beweging van deze ster gedurende meer dan 25 jaar jaar gevolgd te hebben, laten onze nauwkeurige metingen de Schwarzschild-precessie van de omloopbaan van S2 duidelijk zien’, zegt Stefan Gillessen van het MPE, die leiding gaf aan de analyse van de metingen die vandaag in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics is gepubliceerd.
De meeste sterren en planeten hebben een niet-cirkelvormige omloopbaan waardoor hun afstand tot het object waar zij omheen draaien varieert. De omloopbaan van S2 vertoont precessie, wat betekent dat de locatie van het punt van dichtste nadering tot het superzware zwarte gat per omloop opschuift. Hierdoor is elke volgende omloopbaan een stukje verdraaid ten opzichte van de vorige en ontstaat een rozetpatroon. De algemene relativiteitstheorie doet een nauwkeurige voorspelling van die verdraaiing en de laatste metingen van dit onderzoek zijn daarmee volledig in overeenstemming. Dit effect, dat bekendstaat als de Schwarzschild-precessie, is nooit eerder gemeten voor een ster die om een superzwaar zwart gat draait. Het onderzoek met ESO’s VLT helpt wetenschappers ook om meer te weten te komen over de omgeving van het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel. ‘Omdat de metingen van S2 zich zo goed aan de algemene relativiteitstheorie houden, kunnen we een stringente bovengrens opleggen aan de hoeveelheid onzichtbaar materiaal – in de vorm van donkere materie of mogelijke kleinere zwarte gaten – er in de omgeving van Sagittarius A* aanwezig is. Dit is van groot belang voor ons begrip van het ontstaan en de evolutie van superzware zwarte gaten,’ zeggen Guy Perrin en Karine Perraut, de Franse hoofdwetenschappers van het project.
Het resultaat vormt het hoogtepunt in 27 jaar van waarnemingen van de ster S2, in de meeste gevallen met behulp van een van de instrumenten van ESO’s VLT, die in de Atacama-woestijn in Chili is gestationeerd. Het aantal meetpunten van de positie en snelheid van de ster getuigt van de grondigheid en nauwkeurigheid van het nieuwe onderzoek: het team heeft, met behulp van de instrumenten GRAVITY, SINFONI en NACO, in totaal meer dan 330 metingen gedaan. Omdat elke omloop van S2 om het zwarte gat zestien jaar duurt, was het van cruciaal belang om de ster drie decennia lang op de voet te volgen. Alleen zo komen de subtiliteiten van zijn baanbeweging aan het licht. Het onderzoek is uitgevoerd door een internationaal team onder leiding van Frank Eisenhauer van het MPE, met medewerkers uit Frankrijk, Portugal, Duitsland en van ESO. Dit zogeheten GRAVITY-team is genoemd naar het door hen ontwikkelde VLT-instrument – ESO’s nieuwste aanwinst – dat het licht van alle vier 8-meter telescopen van de VLT combineert tot een supertelescoop met een resolutie die gelijk is aan die van een telescoop met een middellijn van 130 meter. Ditzelfde team maakte in 2018 melding van een ander effect dat door de algemene relativiteitstheorie wordt voorspelt: de uitrekking van de golflengte van het licht dat van S2 wordt ontvangen wanneer deze dicht bij Sagittarius A* komt. ‘Ons vorige resultaat toonde aan dat het licht dat door de ster wordt uitgezonden het effect van de algemene relativiteit voelt. En nu hebben we aangetoond dat dit ook voor de ster zelf geldt’, zegt Paulo Garcia, onderzoeker aan het Portugese Centrum voor Astrofysica en Gravitatie en een van de hoofdwetenschappers van het GRAVITY-project.
Het team verwacht dat met ESO’s toekomstige Extremely Large Telescope nog veel zwakkere sterren op nog kleinere afstanden van het superzware zwarte gat kunnen worden opgespoord. ‘Als we geluk hebben, kunnen we misschien zelfs sterren zien die zich zo dichtbij bevinden, dat ze de spin – de draaiing – van het zwarte gat ‘voelen’’, zegt Andreas Eckart van de Universiteit van Keulen, en tevens een van de hoofdwetenschappers van het project. Dit zou betekenen dat astronomen in staat zouden zijn om de twee grootheden te meten – spin en massa – die Sagittarius A* karakteriseren en de ruimte en tijd daaromheen te definiëren. ‘Dat zou het testen van de relativiteit weer naar een heel ander niveau tillen’, zegt Eckart.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Detection of the Schwarzschild precession in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole’, dat in Astronomy & Astrophysicsverschijnt.
Het GRAVITY-team bestaat uit R. Abuter (European Southern Observatory, Garching, Duitsland [ESO]), A. Amorim (Universidade de Lisboa – Faculdade de Ciências, Portugal en Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Portugal [CENTRA]), M. Bauböck (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Duitsland [MPE]), J.P. Berger (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, Frankrijk [IPAG] en ESO), H. Bonnet (ESO), W. Brandner (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Duitsland [MPIA]), V. Cardoso (CENTRA and CERN, Genève, Zwitserland), Y. Clénet (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris, Meudon, Frankrijk [LESIA], P.T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden, en MPE), J. Dexter (Department of Astrophysical & Planetary Sciences, JILA, Duane Physics Bldg.,University of Colorado, Boulder, VS, en MPE), A. Eckart (1st Institute of Physics, Universität zu Köln, Duitsland [Köln] en Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Duitsland), F. Eisenhauer (MPE), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Garcia (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal en CENTRA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE, Departments of Physics and Astronomy, Le Conte Hall, University of California, Berkeley, VS), S. Gillessen (MPE), M. Habibi (MPE), X. Haubois (European Southern Observatory, Santiago, Chili [ESO Chili]), T. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (Köln), A. Jiménez-Rosales (MPE), L. Jochum (ESO Chili), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO Chili), P. Kervella (LESIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Nowak (Institute of Astronomy, Cambridge, VK en LESIA), T. Ott (MPE), T. Paumard (LESIA), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (ESO, MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), J. Shangguan (MPE), S. Scheithauer (MPIA), J. Stadler (MPE), O. Straub (MPE), C. Straubmeier (Köln), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Waisberg (Department of Particle Physics & Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Israël en MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO) en S. Yazici (MPE, Köln).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. Ook op Paranal zal ESO onderkomen bieden aan en het beheer voeren over de Cherenkov Telescope Array South, ’s werelds grootste en meest gevoelige observatorium van gammastraling. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
Bron: ESO
