Relativistické efekty v pohyboch hviezd okolo jadra Galaxie

Nová analýza údajov z ďalekohľadu VLT (Very Large Telescope) na Cerro Paranal v Čile a z iných ďalekohľadov vôbec po prvý raz naznačuje, že pohyb hviezd v okolí superhmotnej čiernej diery v centre Mliečnej cesty by mohol byť ovplyvnený efektmi, ktorých existencia vyplýva z Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Výpočty naznačujú, že dráha hviezdy S2 sa jemne odchyľuje od dráhy vypočítanej pomocou klasickej fyziky. Tento výsledok je predohrou k oveľa presnejším meraním - testovaniu relativity, ktoré vykoná prístroj GRAVITY, keď bude pozorovať priblíženie hviezdy S2 k čiernej diere v roku 2018. V jadre Mliečnej cesty, vo vzdialenosti 26 000 svetelných rokov od Zeme, leží najbližšia superhmotná čierna diera, ktorá má hmotnosť 4 milióny hmotností Slnka. Okolo tohto výnimočného objektu obieha vo veľmi silnom gravitačnom poli malá skupina hviezd s vysokou rýchlosťou. Je to perfektné prostredie na testovanie teórií gravitácie a zvlášť Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Česko-nemecký tím astronómov aplikoval novú analytickú metódu na bohatý súbor existujúcich pozorovaní hviezd obiehajúcich okolo čiernej diery. Tieto pozorovania uskutočnil za posledných 20 rokov ďalekohľad VLT v Čile, ale aj iné prístroje. Vedci porovnávali namerané dráhy hviezd s predpoveďami klasickej Newtonovej teórie gravitácie a s predpoveďami všeobecnej relativity. Vedecký tím našiel náznaky existencie drobných zmien v pohybe jednej z hviezd, známej ako S2, ktoré súhlasia s predpoveďou všeobecnej teórie relativity. Odchýlka vďaka relativistickým efektom je len niekoľko málo percent v tvare dráhy a asi len šestina oblúkového stupňa v jej orientácii. Pokiaľ budú výsledky potvrdené, bude to po prvý krát, čo sa podarilo veľkosti relativistických efektov zmerať pre hviezdy obiehajúce okolo superhmotnej čiernej diery. Marzieh Parsa, doktorand na univerzite v Kolíne nad Rýnom (Nemecko) a hlavný autor vedeckého článku, hovorí: „Galaktické centrum je skutočne najlepšie laboratórium pre sledovanie pohybu hviezd v relativistickom prostredí. Bol som prekvapený, ako pohodlne sme mohli aplikovať metódy, ktoré sme vyvinuli pre simulované hviezdy, na presné merania hviezd s vysokou rýchlosťou, obiehajúce tesne okolo superhmotnej čiernej diery." Vysoká presnosť meraní polôh hviezd, ktorú umožnili prístroje s adaptívnou optikou pracujúce v blízkej infračervenej oblasti na ďalekohľade VLT, bola pre úspech štúdie veľmi dôležitá. A to nielen v okamihu najbližšieho priblíženia hviezdy k čiernej diere, ale tiež – a to predovšetkým – v čase, kedy sa hviezda S2 nachádzala od čiernej diery ďalej. Tieto údaje umožnili presné určenie tvaru dráhy. „Počas analýzy sme si uvedomili, že na určenie relativistických javov pôsobiacich na S2 potrebujeme veľmi presné údaje z celej dráhy hviezdy," komentuje Andreas Eckart, vedúci tímu na kolínskej univerzite. Z novej analýzy vyplývajú nielen podrobnosti o dráhe hviezdy S2, ale aj presnejšie údaje o hmotnosti čiernej diery a jej vzdialenosti od Zeme. Spoluautor Vladimír Karas z Astronomického ústavu Akadémie vied ČR v Prahe s nadšením hovorí o budúcom výskume: „Naše výsledky otvárajú ďalšie možnosti pre teoretickú i experimentálnu prácu v tomto odbore vedy." Popisovaná analýza je predohrou k vzrušujúcemu obdobiu pozorovaní galaktického stredu, na ktoré sa pripravuje množstvo astronómov z celého sveta. Počas roka 2018 sa hviezda S2 tesne priblíži k superhmotnej čiernej diere. Prístroj GRAVITY, vyvinutý veľkým medzinárodným konzorciom, ktoré vedie Max Planck Institut für extraterrestrische Physik v Garchingu v Nemecku, a nainštalovaný na interferometri VLT, bude schopný merať dráhu hviezdy oveľa presnejšie, než je to možné v súčasnosti. Očakáva sa, že GRAVITY, ktorá už vykonáva veľmi presné pozorovania stredu Galaxie, ukáže relativistické efekty veľmi jasne, ale mohla by astronómom tiež pomôcť odhaliť aj prípadné odchýlky od všeobecnej teórie relativity, ktoré by znamenali novú fyziku.

Publikované v časopise QUARK, október 2017, RNDr. Zdeněk Komárek

Zdroj obrázkov: ESO (European Southern Observatoy)

Text k obrázkom:
1, relativisticke_efekty1 – Vypočítané dráhy niektorých hviezd v blízkom okolí centrálnej superhmotnej čiernej diery v jadre našej Galaxie (Mliečnej cesty). Poloha čiernej diery je označená krúžkom.
2, relativisticke_efekty2 – Centrálna oblasť Mliečnej cesty s vyznačenou polohou jadra Galaxie (krížik) a polohou hviezdy S2.