Астрономы на основе анализа данных за 26 лет наблюдений впервые подтвердили предсказываемые общей теорией относительности особенности движения звезды в сильном гравитационном поле сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Научная статья опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе на сайте Европейской южной обсерватории.

С момента появления Общей теории относительности физики смогли провести множество подтверждающих ее экспериментов: обнаружить отклонение света звезд вблизи Солнца (или пронаблюдать явление гравитационной линзы на примере далеких галактик), заметить замедление времени при движении в гравитационном поле, измерить смещение перицентра орбиты на замкнутой траектории (аномальный сдвиг перигелия Меркурия) и несколько раз зарегистрировать гравитационные волны. Не так давно появилась новая возможность проверки ОТО и экспериментальной регистрации релятивистских эффектов, заключающихся в обнаружении предсказанных расхождений в параметрах орбит ближайших к черной дыре Млечного Пути звезд.

Яркая звезда S2 (или S0-2) спектрального класса В является одной из самых изученных звезд, принадлежащих S-скоплению — группе быстро движущихся звезд, которая открыта в 2002 году в центре Млечного Пути, вблизи сверхмассивной черной дыры (Стрелец А*). Она совершает полный оборот вокруг черной дыры за 16 лет и приближается к ней на 17 световых часов, что в 4 раза больше, чем расстояние от Солнца до Нептуна. Последний раз такие сближения имели место в 2002 году и в мае этого года. Теория относительности предсказывает, что при движении тела (звезды) вблизи достаточно массивного объекта (например, черной дыры) будет наблюдаться релятивистское красное смещение, заключающееся в сдвиге частоты излучения, испускаемого телом, в красную область спектра, а также другие эффекты, например смещение перицентра орбиты.

Ранее уже была показана возможность экспериментальной регистрации релятивистских эффектов у звезды S-2, заключающаяся в обнаружении предсказанных расхождений в параметрах ее орбиты, а также ученые выяснили, что ее параметры не повлияют на наблюдения. Тогда изменения в форме орбиты составили несколько процентов, а изменение ориентации — около одной шестой части градуса, что в пределах погрешности хорошо совпадает со значением, которое дает теория. Однако важнейшее значение имели данные, собранные в мае 2018 года, когда звезда приблизилась к черной дыре на расстоянии менее 20 миллиардов километров и двигалась со скоростью свыше 25 миллионов километров в час.

Наблюдения за ней велись при помощи приемников GRAVITY, SINFONI и NACO, установленных на телескопе VLT в Чили. Описывая точность инструмента GRAVITY на пресс-конференции, посвященной новым результатам, Франсуаза Дельпланк из Европейской южной обсерватории привела следующую аналогию: его возможностей хватило бы для того, чтобы, оставаясь там же в Чили, работать как система видеопомощи арбитрам и отслеживать положение мяча на гипотетическом футбольном матче на Луне.

Орбита звезды S0-2 по данным наземных телескопов.
Орбита звезды S0-2 по данным наземных телескопов.

Затем астрономы сравнили данные по форме орбиты звезды и ее лучевой скорости с предсказаниями ньютоновской теории тяготения, общей теории относительности и другими теориями и выявили полное соответствие с предсказаниями ОТО. Теперь астрономы обладают природной «лабораторией» по исследованию сверхмассивных черных дыр и релятивистских эффектов. В дальнейшем наблюдения продолжаться, ученые надеются, что удастся выявить еще один релятивистский эффект, связанный с вращением орбиты звезды S0-2— прецессию Шварцшильда.

Орбита звезды S0-2 во время максимального сближения с черной дырой по данным наземных телескопов.
Орбита звезды S0-2 во время максимального сближения с черной дырой по данным наземных телескопов.

В ходе пресс-конференции Райнхард Генцель из Института внеземной физики общества Макса Планка отметил, что новые наблюдения стали очередным шагом на пути к доказательству общей теории относительности. «Впереди ещё много шагов, но этот мы прошли на отлично», — сказал Генцель. Его коллега, Одель Страуб из Парижской обсерватории добавила, что наблюдений никогда не будет достаточно для того, чтобы считать теорию полностью доказанной, но в ближайшем будущем с помощью инструментов телескопа VLT ученые рассчитывают увидеть в «прекрасной лаборатории» в центре галактики и другие эффекты, предсказанные ОТО. «Я надеюсь, что мы увидим в центре галактики и нечто, что эйнштейновская физика не сможет объяснить. Это будет по-настоящему увлекательно, потому что нам придется вернуться к теоретическим построениям», — добавила Страуб.