Einstein hatte Recht… schon wieder! Erfolgreicher Test der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs

1915 veröffentlichte Albert Einstein sein berühmtes Allgemeine Relativitätstheorie , die eine einheitliche Beschreibung der Schwerkraft als geometrische Eigenschaft von Raum und Zeit lieferte. Diese Theorie führte zur modernen Gravitationstheorie und revolutionierte unser Verständnis der Physik. Obwohl seither ein Jahrhundert vergangen ist, führen Wissenschaftler immer noch Experimente durch, die die Vorhersagen seiner Theorie bestätigen.

Dank an aktuelle Beobachtungen von einem Team internationaler Astronomen (bekannt als die GRAVITY-Kollaboration) wurden die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie mithilfe von a Supermassives Schwarzes Loch (SMBH) zum ersten Mal. Diese Ergebnisse waren der Höhepunkt einer 26-jährigen Beobachtungskampagne des SMBH im Zentrum der Milchstraße ( Schütze A* ) Verwendung der Europäische Südsternwarte 'S (ESO)-Instrumente.

Die Studie, die die Ergebnisse des Teams beschreibt, ist kürzlich in der Zeitschrift erschienenAstronomie und Astrophysik, mit dem Titel „ Nachweis der gravitativen Rotverschiebung in der Umlaufbahn des Sterns S2 in der Nähe des galaktischen Zentrums des massereichen Schwarzen Lochs “. Die Studie wurde von Roberto Arbuto von der ESO geleitet und umfasste Mitglieder der GRAVITY-Kollaboration – die von Reinhard Genzel von der Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) und umfasst Astronomen mehrerer europäischer Universitäten und Forschungsinstitute.

Kommentiertes Bild der Bahn des Sterns S2, während er sehr nahe am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbeiläuft. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Für ihre Studie stützte sich das Team auf Daten, die von den extrem empfindlichen und hochpräzisen Instrumenten des VLT gesammelt wurden. Dazu gehörten die SCHWERE astrometrisches und interferometrisches Instrument, das Spektrograph für INtegralfeldbeobachtungen im nahen Infrarot (SINFONI)-Instrument und das Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Nahinfrarot-Imager und -Spektrograph (CONICA) Instrument, die zusammen als NACO bekannt sind.

Die neuen Infrarotbeobachtungen, die von diesen Instrumenten gesammelt wurden, ermöglichten es dem Team, einen der Sterne (S2) zu überwachen, der Sagittarius A* umkreist, während er vor dem Schwarzen Loch vorbeizieht – was im Mai 2018 stattfand. Am nächsten Punkt seiner Umlaufbahn , der Stern war weniger als 20 Milliarden Kilometer vom Schwarzen Loch entfernt und bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von über 25 Millionen km/h (15 Millionen mph) – fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit .

Während die SINFONI Instrument wurde verwendet, um die Geschwindigkeit von S2 zur Erde und von ihr weg zu messen SCHWERE Instrument in der VLT Interferometer (VLTI) nahm außerordentlich genaue Messungen der sich ändernden Position von S2 vor, um die Form seiner Umlaufbahn zu bestimmen. Die SCHWERE Das Instrument erzeugte dann die scharfen Bilder, die die Bewegung des Sterns zeigten, als er nahe dem Schwarzen Loch vorbeizog.

Anschließend verglich das Team die Positions- und Geschwindigkeitsmessungen mit früheren Beobachtungen von S2 mit anderen Instrumenten. Anschließend verglichen sie diese Ergebnisse mit den Vorhersagen von Newtons Gesetz der universellen Gravitation , Allgemeine Relativitätstheorie und andere Gravitationstheorien. Wie erwartet stimmten die neuen Ergebnisse mit den Vorhersagen von Einstein vor über einem Jahrhundert überein.

Wie Reinhard Genzel, der nicht nur der Leiter der GRAVITY-Kollaboration war, auch Co-Autor des Papiers war, kürzlich in einer ESO Pressemitteilung :

„Dies ist das zweite Mal, dass wir die enge Passage von S2 um das Schwarze Loch in unserem galaktischen Zentrum beobachtet haben. Aber dieses Mal konnten wir den Stern dank der stark verbesserten Instrumentierung mit beispielloser Auflösung beobachten. Wir haben uns über mehrere Jahre intensiv auf dieses Ereignis vorbereitet, denn wir wollten diese einmalige Gelegenheit nutzen, um allgemein relativistische Effekte zu beobachten.“

Bei der Beobachtung mit den neuen Instrumenten des VLT stellte das Team einen Effekt fest, der als Gravitationsrotverschiebung bezeichnet wird, bei dem das von S2 kommende Licht seine Farbe änderte, wenn es sich dem Schwarzen Loch näherte. Dies wurde durch das sehr starke Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs verursacht, das die Wellenlänge des Lichts des Sterns streckte, wodurch es sich in Richtung des roten Endes des Spektrums verschiebt.

Die Änderung der Wellenlänge des Lichts von S2 stimmt genau mit der Vorhersage von Einsteins Feldgleichung überein. Wie Frank Eisenhauer – Forscher am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Principal Investigator von GRAVITY und dem SINFONI-Spektrographen und Co-Autor der Studie – angegeben :

'Unsere erste Beobachtungen von S2 mit GRAVITY , vor etwa zwei Jahren, hat bereits gezeigt, dass wir das ideale Labor für Schwarze Löcher haben.Während der engen Passage konnten wir auf den meisten Bildern sogar das schwache Leuchten um das Schwarze Loch herum erkennen, wodurch wir den Stern auf seiner Umlaufbahn präzise verfolgen konnten, was letztendlich zur Detektion der gravitativen Rotverschiebung im Spektrum von S2 führte.'

Während andere Tests durchgeführt wurden, die Einsteins Vorhersagen bestätigten, ist dies das erste Mal, dass die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie bei der Bewegung eines Sterns um ein supermassereiches Schwarzes Loch beobachtet wurden. In dieser Hinsicht hat Einstein mit einem der bisher extremsten Laboratorien einmal mehr Recht gegeben! Darüber hinaus bestätigte es, dass Tests mit relativistischen Effekten über Zeit und Raum konsistente Ergebnisse liefern können.

„Hier im Sonnensystem können wir die Gesetze der Physik nur jetzt und unter bestimmten Umständen testen.“ genannt Françoise Delplancke, Leiterin der Abteilung System Engineering bei der ESO. „Deshalb ist es in der Astronomie sehr wichtig, auch zu überprüfen, ob die Gesetze dort noch gültig sind, wo die Gravitationsfelder sehr viel stärker sind.“

In naher Zukunft wird ein weiterer relativistischer Test möglich sein, wenn sich S2 vom Schwarzen Loch entfernt. Dies ist als Schwarzschild-Präzession bekannt, bei der der Stern voraussichtlich eine kleine Rotation in seiner Umlaufbahn erfährt. Um auch diesen Effekt zu beobachten, wird die GRAVITY Collaboration S2 überwachen und sich dabei erneut auf die sehr präzisen und empfindlichen Instrumente des VLT verlassen.

Als Xavier Barcons (der Generaldirektor der ESO) angegeben , wurde diese Errungenschaft dank des Geistes der internationalen Zusammenarbeit, der durch die GRAVITY-Kollaboration repräsentiert wird, und der Instrumente, die sie bei der Entwicklung der ESO unterstützt haben, ermöglicht:

„Die ESO arbeitet seit über einem Vierteljahrhundert mit Reinhard Genzel und seinem Team sowie Mitarbeitern in den ESO-Mitgliedstaaten zusammen. Es war eine große Herausforderung, die einzigartigen leistungsstarken Instrumente zu entwickeln, die für diese sehr heiklen Messungen erforderlich sind, und sie am VLT in Paranal einzusetzen. Die heute bekannt gegebene Entdeckung ist das sehr spannende Ergebnis einer bemerkenswerten Partnerschaft.“

Und schaut euch dieses Video des erfolgreichen Tests der GRAVITY Collaboration mit freundlicher Genehmigung der ESO an:

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