Ster danst rond superzwaar zwart gat in centrum Melkweg, Einstein krijgt opnieuw gelijk

Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg, ligt op 26.000 lichtjaar van de zon. De dichte cluster van sterren errond vormt een uniek laboratorium waarin we de fysica kunnen testen bij een extreme vorm van zwaartekracht, iets wat we elders niet kunnen. 

Een van die sterren, S2, zoeft naar het superzware zwarte gat tot op een afstand van minder dan 20 miljard kilometer - 120 keer de afstand tussen de zon en de aarde -, wat van S2 een van de sterren maakt die in hun baan het dichtst komen bij de superzware reus. Bij zijn dichtste benadering van het zwarte gat raast S2 door de ruimte tegen een snelheid van bijna 3 procent van de lichtsnelheid - bijna 9 miljoen meter per seconde -  en de ster doet er 16 jaar over om een volledige omloop af te leggen.

De meeste sterren en planeten hebben een niet-cirkelvormige omloopbaan en bewegen zich dus dichter naar en verder weg van het object waar ze zich rond bewegen. De baan van S2 is eveneens niet cirkelvormig maar een ellips, en ze is bovendien onderhevig aan precessie, wat wil zeggen dat de locatie van haar dichtste punt tot Sagittarius A* met iedere omloop verandert, zodat de volgende omloop gekanteld is tegenover de vorige. Dat maakt dat de opeenvolgende banen een rozet vormen, en geen eenvoudige ellips.  

De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein biedt een precieze voorspelling van hoeveel de baan verandert, en de laatste metingen uit dit onderzoek stemmen volledig overeen met de theorie die Einstein in 1916 publiceerde. Dit effect, dat bekend staat als Schwarzschild-precessie, was nog nooit eerder gemeten bij een ster rond een superzwaar zwart gat. 

"Nadat we de ster meer dan 25 jaar lang gevolgd hadden in haar baan, hebben onze verfijnde metingen op een overtuigende manier Schwarzschild-precessie vastgesteld in haar baan rond Sagittarius A*", zei Stefan Gillessen van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), de leider van de analyse van de metingen en een van de auteurs van de nieuwe studie over S2.  

De waarnemingen van de baan van ster S2 bewijzen niet alleen opnieuw het gelijk van Einstein, ze leren ons ook meer over het superzware zwarte gat Sagittarius A*. 

"Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat door zwaartekracht gebonden banen van één object rond een ander object niet gesloten zijn, zoals in de graviteitswet van Newton, maar onderhevig zijn aan een voorwaartse precessie in het bewegingsveld. Dit beroemde effect, dat voor het eerst gezien werd in de baan van de planeet Mercurius rond de zon, vormde het eerste bewijs voor de algemene relativiteitstheorie."

"Honderd jaar later hebben we nu datzelfde effect waargenomen in de beweging van een ster in een baan rond de compacte radiobron Sagittarius A* in het centrum van de Melkweg. Deze doorbraak op het vlak van de waarnemingen versterkt het bewijs dat Sagittarius A* een superzwaar zwart gat moet zijn met een massa van 4 miljoen keer die van de zon", zei Reinhard Genzel, de directeur van het MPE en de architect van het programma van 30 jaar dat tot dit resultaat heeft geleid. 

De studie met de VLT van de Europese Organisatie voor Astronomisch Onderzoek in het Zuidelijk Halfrond ESO helpt de wetenschappers ook meer te weten te komen over de omgeving van het superzware zwarte gat. 

"Omdat de metingen van S2 de algemene relativiteitstheorie zo goed volgen, kunnen we strikte limieten stellen op de hoeveelheid onzichtbaar materiaal, zoals verspreide donkere materie of mogelijk kleinere zwarte gaten,  die aanwezig is in de buurt van Sagittarius A*", zeiden Guy Perrin en Karine Perrault, de wetenschappelijke leiders van het Franse team van het project.   

Het resultaat is het hoogtepunt van 27 jaar van waarnemingen van de ster S2, met, gedurende het grootste deel van de tijd, een reeks van instrumenten van de VLT van de ESO, die in de Atacama-woestijn in Chili staat. 

Het aantal datapunten die de positie en de snelheid van de ster aangeven, wijst op de grondigheid en de nauwkeurigheid van de nieuwe studie: het internationale team verrichtte in totaal meer dan 330 metingen met de GRAVITY-, SINFONI- en NACO-instrumenten van de VLT. Omdat S2 er 16 jaar over doet om een volledige baan te beschrijven rond het superzware zwarte gat, was het cruciaal de ster bijna 3 decennia lang te volgen om de ingewikkelde orbitale beweging bloot te kunnen leggen. 

Het onderzoek werd uitgevoerd door een internationaal team onder leiding van Frank Eisenhauer van het MPE met medewerkers uit Frankrijk, Portugal, Duitsland en van de ESO. Het team vormt de GRAVITY-samenwerking, die genoemd is naar het instrument dat ze ontwikkeld hebben voor de VLT Interferometer. Die combineert het licht van de vier 8,2 meter Unit telescopen en de vier 1,8 meter Auxillary telescopen tot een supertelescoop, met een resolutie die equivalent is aan die van een telescoop met een diameter van 130 meter.   

Hetzelfde team meldde in 2018 een ander effect dat voorspeld was door de algemene relativiteitstheorie: ze zagen dat het licht dat ze ontvingen van S2 uitgerekt werd tot langere golflengten - en dus roder werd - toen de ster op een kleine afstand langs Sagittarius A* passeerde. 

"Ons eerdere resultaat toonde dat het licht dat door de ster werd uitgestraald de algemene relativiteit onderging. Nu hebben we getoond dat de ster zelf de effecten van de algemene relativiteit voelt", zei Paulo Garcia, een onderzoeker aan het Portugese Center for Astrophysics and Gravitation en een van de leidende wetenschappers van het GRAVITY-project.  

Het team denkt dat het met de geplande Extremely Large Telescope van de ESO in staat zal zijn veel zwakkere sterren waar te nemen in een baan die hen nog dichter bij het superzware zwarte gat brengt. 

"Als we geluk hebben, zouden we sterren kunnen opvangen die dicht genoeg komen om daadwerkelijk de rotatie, de spin, van het zwarte gat te voelen", zei Andreas Eckart van de Universität zu Köln, nog een van de leidende onderzoekers van het GRAVITY-project. Dat zou betekenen dat astronomen in staat zouden zijn twee grootheden te meten, de spin en de massa, die Sagittarius A* kenmerken en de ruimte en de tijd er rond definiëren. "Dat zou opnieuw een compleet ander niveau zijn van het testen van de relativiteit", zei Eckhart. 

De studie van het internationale team is gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van onder meer de ESO. 

Een korte video van de ESO (Engels) over het nu waargenomen effect.

Een animatie van de ESO van het precessie-effect bij ster S2.