Een nieuwe analyse van gegevens van ESO’s Very Large Telescope en andere telescopen wijst er voor het eerst op dat de omloopbanen van sterren rond het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg de subtiele effecten kunnen vertonen zoals die zijn voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Er zijn aanwijzingen dat de omloopbaan van de ster S2 enigszins afwijkt van het pad dat met behulp van klassieke fysica is berekend. Dit spannende resultaat is een voorproefje van de veel nauwkeurigere metingen en tests die in 2018 met het GRAVITY-instrument zullen worden gedaan wanneer S2 heel dicht langs het zwarte gat beweegt.
In het centrum van de Melkweg, ruim 26.000 lichtjaar van de aarde, bevindt zich het meest nabije superzware zwarte gat, dat vier miljoen keer zoveel massa heeft als de zon. Dit monster is omringd door een klein groepje sterren dat met hoge snelheid om hem heen draait. Het sterke zwaartekrachtsveld van het zwarte gat is een perfecte omgeving om Einsteins algemene relativiteitstheorie te toetsen. Een team van Duitse en Tsjechische astronomen heeft nu een nieuwe analysetechniek toegepast op de zeer uitgebreide reeks waarnemingen van de sterren die om het zwarte gat draaien, zoals die de afgelopen twintig jaar met ESO’s Very Large Telescope (VLT) in Chili en andere telescopen zijn verzameld [1]. De astronomen hebben de gemeten sterbanen vergeleken met voorspellingen zoals die met behulp van de klassieke zwaartekrachtswet van Newton en de algemene relativiteitstheorie worden gedaan.
Het team heeft bewijs gevonden voor een kleine verandering in de beweging van een van de sterren, S2 geheten, die overeenstemt met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie [2]. Deze verandering, die het gevolg is van relativistische effecten, bedraagt slechts een paar procent van de vorm van de omloopbaan en slechts ongeveer een zesde graad in de oriëntatie van deze baan [3]. Het is voor het eerst dat een meting van de sterkte van algemeen-relativistische effecten is verkregen voor sterren die om een superzwaar zwart gat draaien. Marzieh Parsa, promovendus aan de Universiteit van Keulen en hoofdauteur van het onderzoeksartikel, is opgetogen: ‘Het galactisch centrum is echt het beste laboratorium voor het onderzoek van de beweging van sterren in een relativistische omgeving. Ik was verbaasd hoe goed we de methoden die we met gesimuleerde sterren hebben ontwikkeld konden toepassen op de nauwkeurige gegevens van de binnenste, snel bewegende sterren nabij het superzware zwarte gat.’
De hoge nauwkeurigheid van de positiemetingen, die te danken is aan de nabij-infrarode adaptieve optische instrumenten van de VLT, was cruciaal voor het succes van het onderzoek [4]. Ze waren niet alleen van essentieel belang toen S2 het zwarte gat het dichtst naderde, maar vooral ook toen de ster daar verder van verwijderd was. Die laatste gegevens maakten een nauwkeurige bepaling mogelijk van de vorm van de omloopbaan en van de relativistische veranderingen die deze ondergaat. ‘In de loop van onze analyse realiseerden we ons dat om de relativistische effecten voor S2 te kunnen bepalen, je de volledige omloopbaan heel precies moet kennen,’ merkt Andreas Eckart, teamleider aan de Universiteit van Keulen, op.
Behalve nauwkeurigere informatie over omloopbaan van de ster S2, heeft de nieuwe analyse ook een nauwkeurigere bepaling van de massa van het zwarte gat en zijn afstand tot de aarde opgeleverd [5]. Medeauteur Vladimir Karas van de Academie van Wetenschappen in Praag is uitgelaten over de toekomst: ‘Het is heel geruststellend dat S2 relativistische effecten vertoont zoals die worden verwacht op basis van zijn nabijheid tot de extreme massaconcentratie in het centrum van de Melkweg. Dit opent nieuwe wegen voor theoretisch en experimenteel onderzoek in deze tak van wetenschap.’
De nieuwe analyse vormt de opmaat tot de spannende waarnemingen van het galactisch centrum die astronomen binnenkort gaan doen. In de loop van 2018 zal de ster S2 het superzware zwarte gat zeer dicht naderen. Dit keer zal het instrument GRAVITY, ontwikkeld door een groot internationaal consortium onder leiding van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching [6] en geïnstalleerd op de VLT Interferometer [7], beschikbaar zijn om zijn omloopbaan veel nauwkeuriger dan momenteel mogelijk is te meten. Niet alleen bestaat de verwachting dat de algemeen-relativistische effecten hierdoor veel duidelijker zichtbaar zullen zijn, ook zullen astronomen veel beter in staat zijn om eventuele afwijkingen van de algemene relativiteitstheorie op te sporen.
Noten
[1] Voor dit onderzoek zijn gegevens gebruikt van de NACO-nabij-infraroodcamera, nu gekoppeld aan VLT Unit Telescope 1 (Antu), en de nabij-infraroodbeeldspectrometer SINFONI van de Unit Telescope 4 (Yepun). Ook is gebruik gemaakt van gepubliceerde aanvullende gegevens die door de Keck-sterrenwacht zijn verzameld.
[2] S2 is een ster van 15 zonsmassa’s die in een ellipsvormige baan om het superzware zwarte gat beweegt. Hij heeft een omlooptijd van 15,6 jaar en zijn omloopbaan brengt hem tot op 17 lichturen van het zwarte gat – slechts 120 maal de afstand tussen de zon en de aarde.
[3] Een vergelijkbaar, maar veel kleiner, effect is te zien bij de baan die de planeet Mercurius om de zon volgt. Die meting aan het eind van de negentiende eeuw was een van de duidelijkste aanwijzingen dat er iets ontbrak aan de zwaartekrachtstheorie van Newton en dat er nieuwe inzichten nodig waren om sterke zwaartekrachtsvelden te kunnen begrijpen. Dit bracht Einstein er uiteindelijk toe om in 1915 zijn algemene relativiteitstheorie, gebaseerd op de kromming van de ruimtetijd, te publiceren. Wanneer de banen van sterren en planeten met behulp van de algemene relativiteitstheorie in plaats van de zwaartekrachttheorie van Newton worden berekend, levert dat andere voorspellingen over de wijze waarop deze banen mettertijd van vorm en van oriëntatie veranderen. De geldigheid van de algemene relativiteitstheorie kan dus met behulp van metingen worden getoetst.
[4] Een adaptief optisch systeem compenseert het beeld-vertroebelende effect van de atmosfeer, waardoor een een telescoop veel scherpere opnamen kan maken.
[5] Het team heeft vastgesteld dat het zwarte gat 4,2 miljoen keer zoveel massa heeft als onze zon en bijna 27.000 lichtjaar van ons verwijderd is.
[6] De Universiteit van Keulen maakt deel uit van het GRAVITY-team (http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity) en draagt bij aan de speciale spectrometers die in het systeem worden gebruikt.
[7] GRAVITY heeft begin 2016 zijn eerste licht opgevangen en doet al waarnemingen van het galactisch centrum.
