Bildkredit: ESO
Ett team av astronomer har upptäckt att en annars normal stjärna tar ett nära pass med det supermassiva svarta hålet som lurar i mitten av vår Vintergatan. När det närmast närmade sig var stjärnan bara 17 ljusstimmar bort från det svarta hålet (tre gånger solens avstånd till Pluto). Bilder av regionen samlades under 10 år med det adaptiva optiksystemet på European Southern Observatory's Paranal Observatory.
Ett internationellt team av astronomer [2], ledat av forskare vid Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), har direkt observerat en annars normal stjärna som kretsar runt det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergalaxen.
Tio år med noggranna mätningar har krönats av en serie unika bilder erhållna av Adaptive Optics (AO) NAOS-CONICA (NACO) instrumentet [3] på 8,2 m VLT YEPUN-teleskopet vid ESO Paranal Observatory. Det visar sig att tidigare i år närmade sig stjärnan det centrala svarta hålet till 17 ljusstimmar - bara tre gånger avståndet mellan solen och planeten Pluto - medan han reser med inte mindre än 5000 km / sek.
Tidigare mätningar av stjärnornas hastigheter nära centrum av Vintergatan och variabel röntgenstrålning från detta område har gett det starkaste beviset hittills på att det finns ett centralt svart hål i vår hemgalax och, underförstått, att den mörka massan koncentrationer som ses i många kärnor i andra galaxer är förmodligen också supermassiva svarta hål. Det har dock ännu inte varit möjligt att utesluta flera alternativa konfigurationer.
I ett genombrottsdokument som visas i forskningstidsskriftet Nature den 17 oktober 2002 rapporterar det nuvarande teamet sina spännande resultat, inklusive högupplösta bilder som gör det möjligt att spåra två tredjedelar av banan för en stjärna som kallas ”S2”. Det är för närvarande den närmast observerbara stjärnan till den kompakta radiokällan och den massiva svarthålskandidaten "SgrA *" ("Skytten A") i centrum av Vintergatan. Omloppsperioden är drygt 15 år.
De nya mätningarna utesluter med stor förtroende att den centrala mörka massan består av ett kluster av ovanliga stjärnor eller elementära partiklar, och lämnar liten tvekan om förekomsten av ett supermassivt svart hål i mitten av galaxen där vi lever.
Kvasarer och svarta hål
Helt sedan upptäckten av kvasarerna (kvasi-stjärna radiokällor) 1963 har astrofysiker letat efter en förklaring av energiproduktionen i dessa mest lysande föremål i universum. Kvasarer är bosatta i galaxcentrumen och det tros att den enorma energin som släpps ut av dessa föremål beror på att materien faller på ett supermassivt svart hål och släpper gravitationenergi genom intensiv strålning innan det materialet försvinner för evigt i hålet (i fysikterminologi: ”Passerar bortom händels horisonten” [4]).
För att förklara den otroliga energiproduktionen av kvasarer och andra aktiva galaxer måste man antaga närvaron av svarta hål med massor av en miljon till flera miljarder gånger solens massa. Många bevis har ackumulerats under de senaste åren för att stödja ovanstående "ackrediterande svart hål" -modell för kvasarer och andra galaxer, inklusive upptäckten av mörka masskoncentrationer i deras centrala regioner.
Ett otvetydigt bevis kräver emellertid alla möjliga andra, icke-svarta hålkonfigurationer av den centrala masskoncentrationen. För detta är det viktigt att bestämma gravitationsfältets form mycket nära det centrala objektet - och det är inte möjligt för de avlägsna kvasarerna på grund av tekniska begränsningar av de för närvarande tillgängliga teleskopen.
Mitten av Vintergatan
Mitten av vår Vintergalax finns i den södra konstellationen Skytten (The Archer) och är "bara" 26 000 ljusår bort [5]. På högupplösta bilder är det möjligt att urskilja tusentals enskilda stjärnor inom det centrala, en ljusårsområde (detta motsvarar ungefär en fjärdedel av avståndet till ”Proxima Centauri”, stjärnan närmast solsystemet) .
Med hjälp av rörelserna från dessa stjärnor för att undersöka gravitationsfältet, observationer med 3,5-m New Technology Telescope (NTT) vid ESO La Silla Observatory (Chile) (och därefter vid 10-m Keck-teleskopet, Hawaii, USA) över det senaste decenniet har visat att en massa på cirka 3 miljoner gånger solens koncentration är koncentrerad inom en radie på bara 10 ljusdagar [5] av den kompakta radio- och röntgenkällan SgrA * ("Skytten A") i centrum av stjärnklustret.
Detta innebär att SgrA * är den mest troliga motsvarigheten till det förmodade svarta hålet och samtidigt gör det Galactic Center till det bästa beviset för att det finns sådana supermassiva svarta hål. Dessa tidigare undersökningar kunde emellertid inte utesluta flera andra icke-svarta hålkonfigurationer.
"Vi behövde sedan ännu skarpare bilder för att lösa frågan om någon annan konfiguration än ett svart hål är möjligt och vi räknade på ESO VLT-teleskop för att ge dem", förklarar Reinhard Genzel, chef för Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics ( MPE) i Garching nära München (Tyskland) och medlem av det nuvarande teamet. ”Det nya NAOS-CONICA (NACO) instrumentet, byggt i ett nära samarbete mellan vårt institut, Max-Planck Institute for Astronomy (MPIA: Heidelberg, Tyskland), ESO och Paris-Meudon och Grenoble Observatories (Frankrike), var bara vad vi behövde för att ta detta avgörande steg framåt ”.
NACO-observationer av Vintergatan centrum
Det nya NACO-instrumentet [3] installerades i slutet av 2001 på VLT 8,2 m YEPUN-teleskopet. Redan under de inledande testerna producerade den många imponerande bilder, av vilka några har varit föremål för tidigare pressmeddelanden från ESO [6].
"De första observationerna i år med NACO gav oss genast de skarpaste och" djupaste "bilderna av mjölkvägscentret som någonsin tagits, och visar ett stort antal stjärnor i det området i detalj", säger Andreas Eckart från universitetet i Köln, en annan medlem av det internationella laget som leds av Rainer Sch? del, Thomas Ott och Reinhard Genzel från MPE. "Men vi skulle fortfarande bli överväldiga av det underbara resultatet av dessa data!"
Genom att kombinera sina infraröda bilder med högupplöst radiodata kunde teamet fastställa - under en tioårsperiod - mycket exakta positioner på cirka tusen stjärnor i centralområdet med avseende på den kompakta radiokällan SgrA *, se PR Photo 23c / 02.
”När vi inkluderade de senaste NACO-uppgifterna i vår analys i maj 2002 kunde vi inte tro på våra ögon. Stjärnan S2, som för närvarande är närmast SgrA *, hade just gjort en snabb svängning nära radiokällan. Vi insåg plötsligt att vi faktiskt bevittnade rörelsen av en stjärna i omloppsbana runt det centrala svarta hålet och tar det otroligt nära det mystiska objektet, säger en mycket glad Thomas Ott, som nu arbetar i MPE-teamet på sin doktorsavhandling .
I omloppsbana runt det centrala svarta hålet
Ingen händelse som denna har någonsin spelats in. Dessa unika data visar otvetydigt att S2 rör sig längs en elliptisk bana med SgrA * på ett fokus, dvs. S2 kretsar kring SgrA * som jorden kretsar runt solen, jfr. den högra panelen på PR Photo 23c / 02.
De fantastiska uppgifterna möjliggör också en exakt bestämning av omloppsparametrarna (form, storlek, etc.). Det visar sig att S2 nådde sitt närmaste avstånd till SgrA * under våren 2002, då det bara var 17 ljusstimmar [5] från radiokällan, eller bara tre gånger Sun-Pluto-avståndet. Den rörde sig sedan med mer än 5000 km / s, eller nästan tvåhundra gånger jordens hastighet i sin bana runt solen. Omloppsperioden är 15,2 år. Banan är ganska långsträckt - excentriciteten är 0,87 - vilket indikerar att S2 är cirka 10 ljusdagar från den centrala massan vid den mest avlägsna omloppspunkten [7].
”Vi kan nu visa med säkerhet att SgrA * verkligen är platsen för den centrala mörka massan som vi visste att fanns. Ännu viktigare är att våra nya uppgifter "krymptes" med en faktor på flera tusen volymen inom vilken flera miljoner solmassor finns, säger Rainer Sch? Del, doktorand vid MPE och även första författare till det resulterande papperet.
I själva verket indikerar modellberäkningar nu att den bästa uppskattningen av svarta håls massa i mitten av Vintergatan är 2,6? 0,2 miljoner gånger solens massa.
Inga andra möjligheter
Enligt den detaljerade analysen som presenterades i Nature-artikeln kan andra tidigare möjliga konfigurationer, såsom mycket kompakta kluster av neutronstjärnor, svarta hål i stjärnstorlek eller stjärnor med låg massa, eller till och med en boll av förmodade tunga neutrinoer, definitivt uteslutas.
Den enda fortfarande hållbara icke-svarta hålkonfigurationen är en hypotetisk stjärna av tunga elementära partiklar som kallas bosoner, som skulle se mycket lik ett svart hål. "Men", säger Reinhard Genzel, "även om en sådan bosonstjärna i princip är möjlig, skulle den i alla fall snabbt kollapsa i ett supermassivt svart hål, så jag tror att vi har ganska mycket behandlat fallet!"
Nästa observationer
”De flesta astrofysiker skulle acceptera att de nya uppgifterna ger tvingande bevis på att ett supermassivt svart hål finns i mitten av Vintergatan. Detta gör ännu mer sannolikt den supermassiva tolkningen av svart hål för den enorma koncentrationen av mörk massa som upptäcks i mitten av många andra galaxer, säger Alvio Renzini, VLT-programforskare vid ESO.
Så vad återstår att göra? Nästa stora uppdrag nu är att förstå när och hur dessa supermassiva svarta hål bildades och varför nästan varje massiv galax verkar innehålla en. Bildandet av centrala svarta hål och deras värdgalaxer själva verkar alltmer vara ett problem och samma. En av de enastående utmaningarna för VLT att lösa under de närmaste åren.
Det råder också liten tvekan om att kommande interferometriska observationer med instrument vid VLT-interferometern (VLTI) och det stora binokulära teleskopet (LBT) också kommer att resultera i ytterligare ett gigantiskt språng inom detta spännande forskningsområde.
Andreas Eckart är optimistisk: "Kanske kommer det till och med att bli möjligt med röntgen- och radioobservationer under de närmaste åren att direkt demonstrera förekomsten av händelseshorisonten."
Ursprungskälla: ESO News Release
