Знаменитая теория относительности Альберта Эйнштейна получает все новые и новые доказательства. Хорошей естественной «лабораторией» для исследования эффектов, предсказанных и описанных теорией относительности, является центр нашей галактики Млечный путь, где располагается сверхмассивная черная дыра Sagittarius A*. На орбите этой черной дыры находятся несколько звезд, и одна из них – S2 – стала объектом для изучения в новом исследовании.
Собрав воедино десятки наблюдений за этой звездой, астрономы показали, что орбита S2 не является эллипсом с фиксированным положением, а смещается по схеме прецессии Шварцшильда (см. видео). Это первый случай, когда прецессия Шварцшильда, которая возникает из-за эффектов в искривленном пространстве-времени, была обнаружена рядом со сверхмассивной черной дырой. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывала, что такие орбиты будут вести себя не по образцу классической механики, а станут прецессировать вперед в плоскости движения.
Этот знаменитый эффект был впервые замечен в движении Меркурия на орбите Солнца. Спустя сто лет обнаружен такой же эффект при движении звезды, которая вращается вокруг черной дыры в центре галактики.
S2 совершает один облет черной дыры Sagittarius A* по вытянутой орбите примерно за 16 лет. В самой ближайшей точке к массивному объекту звезда находится на расстоянии всего в 17 световых часов от него или чуть больше, чем в четырех дистанциях от Солнца до Нептуна. В этой точке гравитация черной дыры ускоряет звезду почти 3 процентов от скорости света.
Астрономы пристально следят за S2 с 1990-х годов. В 2018 году научная группа GRAVITY Collaboration обнаружила релятивистские эффекты, связанные со светом звезды и предсказанные также теорией относительности. Теперь появилось еще одно доказательство по наблюдениям за тем же объектом.
Группа GRAVITY Collaboration использовала более 330 сеансов наблюдений за S2, проведенных с 1992 по 2019 год, чтобы отметить, соответствует ли наблюдаемая прецессия прогнозам и расчетам, сделанным на основании общей теории относительности. Совпадение оказалось точным.
Более того, «побочным эффектом» стала проверка массы черной дыры Sagittarius A*. Для расчета прецессии нужна точная масса. Поэтому ученые использовали полученное другими методами ранее значение в 4 миллиона солнечных масс. Если орбита совпала с расчетной, значит, не только теория верна, но и масса черной дыры была получена верно. Это также исключает наличие в непосредственной близости у черной дыры другого такого же объекта – его влияние сказалось бы на орбите и испортило бы расчеты. Это улучшает понимание галактики, в которой мы живем, и ее «сердца».