De ster S2 gedroeg zich in de extreme zwaartekracht van het zwart gat precies zoals Einstein voorspeld heeft. ESO/M.Kornmesser

Einsteins algemene relativiteitstheorie doorstaat opnieuw een test, in extreme zwaartekracht dit keer

Waarnemingen met de Very Large Telescope van het ESO hebben voor het eerst de effecten getoond die voorspeld werden door Einsteins algemene relativiteitstheorie, op de beweging van een ster die door het extreme zwaartekrachtveld van het supermassieve zwart gat in het centrum van de Melkweg passeert. Het licht van de ster toont een duidelijke roodverschuiving, en de verandering van de golflengte van het licht stemt precies overeen met wat Einstein meer dan 100 jaar geleden voorspeld heeft. 

Het resultaat is de culminatie van een 26 jaar durende campagne waarin het centrum van het Melkwegstelsel geobserveerd werd met de ESO-telescopen in Chili, zo zegt het ESO (European Southern Observatory) in een persmededeling.   

Verborgen in wolken van absorberend stof, ligt het supermassieve zwart gat dat het dichtst bij de aarde ligt, 26.000 lichtjaar ver in het centrum van de Melkweg. Dit zwaartekrachtmonster, dat een massa heeft die 4 miljoen keer die van onze zon is, wordt omringd door een kleine groep sterren die er tegen een hoge snelheid baantjes rond trekken.

Deze extreme omgeving - het sterkste zwaartekrachtveld in ons Melkwegstelsel - maakt het de perfecte plaats om gravitationele fysica - fysica die verband houdt met de zwaartekracht - te onderzoeken, en meer in het bijzonder om de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein te testen. 

Nieuwe infrarood observaties met de enorm gevoelige GRAVITY, SINFONI en NACO-instrumenten op de Very Large Telescope (VLT) van de ESO, hebben nu astronomen toegelaten een van de sterren in de buurt van het centrum van de Melkweg, S2 genaamd, te volgen terwijl ze zeer dicht bij het supermassieve zwart gat passeerde in mei van dit jaar. Op het dichtste punt was de ster tot op een afstand van minder dan 20 miljard kilometer genaderd van het zwart gat, en bewoog ze aan snelheden boven 25 miljoen kilometer per uur, bijna 3 procent van de lichtsnelheid. 

Het team onder leiding van Reinhard Genzel van het Max Planck Institute for Extraterrestial Physics in Garching in Duitsland, vergeleek de metingen van de positie en de snelheid van de ster van GRAVITY en SINFONI, samen met eerdere waarnemingen van S2 met andere instrumenten, met de voorspellingen van hoe de ster zich zou moeten gedragen volgens de Newtoniaanse zwaartekrachttheorie, de algemene relativiteitstheorie, en andere theorieën over de zwaartekracht. De waarnemingen zijn niet consistent met de voorspellingen op basis van de Newtoniaanse theorie, maar ze stemmen uitstekend overeen met de voorspellingen van de algemene relativiteit. 

"Het is de tweede keer dat we de dichte voorbijgang van S2 rond het zwart gat in het centrum van onze Melkweg gevolgd hebben. Maar deze keer, dankzij onze fel verbeterde instrumenten, waren we in staat om de ster te observeren met een nooit geziene detailscherpte", zo legde Genzel uit in de persmededeling. "We hadden ons intens voorbereid op deze gebeurtenis gedurende verschillende jaren, aangezien we zoveel mogelijk wilden profiteren van deze unieke gelegenheid om effecten van de algemene relativiteit waar te nemen." 

De baan van ster S2 rond het supermassieve zwart gat (4 miljoen keer de massa van de zon) tegen een snelheid die boven 25 miljoen km/u ging. Op 19 mei 2018 was S2 het zwart gat het dichtst genaderd, tot op 20 miljard kilometer, 120 keer de afstand tussen de zon en de aarde. De baan van S2 rond het zwart gat duurt in totaal 16 jaar. De ster en het zwart gat zijn in deze voorstelling niet op schaal weergegeven, en ook het kleureffect is overdreven voor de duidelijkheid. Het licht van de ster vertoont een duidelijke roodverschuiving, een effect dat voorspeld werd door de algemene relativiteitstheorie. ESO/M. Kornmesser

Een gravitationele roodverschuiving

De nieuwe metingen tonen duidelijk een effect dat gravitationele roodverschuiving genoemd wordt. Het licht van de ster wordt uitgerokken tot langere golflengten door het zeer sterke zwaartekrachtveld van het zwart gat. En een langere golflengte zit meer in het rode spectrum van licht. 

De verandering in de golflengte van het licht van S2 stemt precies overeen met wat voorspeld werd door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Het is de eerste keer dat deze afwijking van de voorspellingen van de eenvoudigere Newtoniaanse theorie van de zwaartekracht, waargenomen is in de beweging van een ster rond een supermassief 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 om buitengewoon nauwkeurige metingen te verrichten van de veranderende positie van S2,  om de vorm van haar baan te definiëren. GRAVITY creëert zodanig scherpe beelden dat het de beweging van de ster van nacht tot nacht kan blootleggen, terwijl ze dicht bij het zwart gat passeert, op 26.000 lichtjaar van de aarde. 

De VLT Interferometer is het systeem waarbij verschillende van de Very Large Telescopes aan elkaar gekoppeld worden - maximaal drie van de vier - waardoor ze als één grote telescoop kunnen werken. Dat zorgt voor een enorme toename van het scheidend vermogen, zodat kleinere en verder verwijderde objecten beter waargenomen kunnen worden.  

"Onze eerste waarnemingen met GRAVITY twee jaar geleden toonden al dat we het ideale zwart-gat-laboratorium zouden hebben", zei Frank Eisenhauer, de belangrijkste onderzoeker van GRAVITY en de SINFONI spectrograaf. "Gedurende de dichte voorbijgang, konden we zelfs de  flauwe gloed rond het zwart gat op de meeste beelden detecteren, wat ons toeliet om de ster tijdens haar omloop nauwgezet te volgen, en wat uiteindelijk leidde tot de ontdekking van de gravitationele roodverschuiving in het spectrum van S2."

Een voorstelling van de kleine groep sterren die een baan beschrijven rond het supermassieve zwart gat in het centrum van de Melkweg. (Illustratie: ESO/L. Calçada/spaceengine.org)

Einstein krijgt gelijk in extreme omstandigheden

Meer dan honderd jaar nadat hij zijn studie gepubliceerd had met de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie - die is verschenen in 1915 -, is nog eens bewezen dat Einstein gelijk had, en dit keer in een veel extremer laboratorium dan hij zich ooit had kunnen inbeelden. 

"Hier in ons zonnestelsel kunnen we de wetten van de fysica enkel testen in het heden en onder bepaalde omstandigheden. En dus is het zeer belangrijk in de astronomie om ook na te gaan of die wetten nog steeds gelden waar de zwaartekrachtvelden erg veel sterker zijn", legde Françoise Delplancke uit. Delplancke is het hoofd van het Departement System Engineering van het ESO. 

Verwacht wordt overigens dat de voortgezette waarnemingen binnenkort nog een ander effect van de relativiteitstheorie zal tonen als S2 zich weg beweegt van het zwart gat: een kleine rotatie van de baan van de ster, die bekend staat als Schwarzschild precessie. 

De studie van het team onder leiding van Reinhard Genzel van het Max Planck Institute for Extraterrestial Physics (MPE), in samenwerking met onder meer onderzoekers van het Paris Observatory-PSL, de Université Grenoble Alpes, het CNRS, het Max Planck Institute for Astronomy, de Universiteit van Keulen, het Portugese CENTRA - Centro de Astrofisica en Gravitação, en het ESO is gepubliceerd in "Astronomy & Astrophysics". 

Een van de auxiliary telescopen van de VLT in Chili, onder het centrum van de Melkweg, met rechtsonder de Residencia, de verblijfplaats voor de bezoekers.  (Foto: ESO/B. Tafreshi ) Babak Tafreshi btafreshi@twanight.org