A GRAVITY elnevezésű nemzetközi csillagászati kollaboráció már több, mint negyedszázada figyel meg egy csillagot, amely a Tejútrendszer közepén lévő szupermasszív fekete lyuk körül kering. A megfigyelések motivációja, hogy extrém erős gravitációs környezetben nem minden úgy történik, ahogy azt egy csillag keringésétől várnánk – vagy éppenséggel pontosan úgy, amennyiben Einstein gravitációs elméletét is számításba vesszük. Az általános relativitáselmélet jóslatainak ellenőrzése mellett egy sor további járulékos eredményt sikerült elérni, így például minden eddiginél pontosabban tudjuk, hogy mekkora Galaxisunk központi fekete lyuka és hogy milyen távol is vagyunk tőle.

Magya a fekete lyuk ugyan láthatatlan, a körülötte keringő csillagok nem azok.

A német Max Planck Intézet csillagászai immáron huszonhat éve követik nyomon Galaxisunk, a Tejútrendszer közepén ücsörgő szupermasszív fekete lyuk, (hivatalos nevén) a Sgr A* körül keringő csillagokat. Magát, a négymillió naptömegű monstrumot nem tudjuk közvetlenül érzékelni (környezetét is jobbára csak a látható fénynél hosszabb hullámhosszokon), gravitációs hatását azonban igen. A fekete lyuk gravitációs tere ugyanúgy ellipszis alakú pályára kényszeríti a környező csillagokat (nem pedig elnyeli őket, ahogy azt sokan képzelik), mint ahogy a Nap is teszi azt bolygóival. A különbség pusztán a hatások erősségében jelentkezik.

Látványos utazás a Galaxis középpontja felé, különböző hullámhosszakon készült valós felvételek és modellezések segítségével. (Forrás: ESO)

Maga a gravitációs erőhatás egyenesen arányos az objektumok tömegével és fordítottan arányos a távolság négyzetével. Ennek következtében, amikor egy csillag pályája a fekete lyuk közelében halad el, elképesztő sebességre gyorsul – azonban nem ‘’zuhan bele’’ a fekete lyukba, hiszen az eredeti (nem pont a fekete lyuk irányába mutató) sebességkomponense is megmarad (kvázi ‘’melléesik’’… akármennyire is borzalmasan hangzik ez a hasonlat). A fekete lyuk gravitációja így csak annyira tudja becsapdázni a csillagot, hogy azt pályán tartsa maga körül. Minnél közelebb kerül a csillag ezen a tipikusan elnyújtott ellipszis alakú pályán a fekete lyukhoz, annál nagyobb sebességre kapcsol, távolodva tőle pedig folyamatosan lassul (hiszen a gravitáció mindkét irányban dolgozik). A keringési sebesség csúcsa pedig ilyen környezetben egészen elképesztő is lehet – akár a fénysebesség nem elhanyagolható százaléka is! Ekkor pedig már nem elégséges a newtoni gravitáció-elmélet, hanem az einsteini relativitáshoz kell fordulni.

Szemléltető ábra az S2 csillag fekete lyuk közelségéről. (Forrás: M. Kornmesser/ESO)

Elsősorban ezen relativisztikus hatások kimutatása motiválta a fent említett német kutatócsoportot is, amikor az Euróapi Déli Obszervatórium VLT távcsöveivel kezdték el nyomonkövetni a Sgr A* körül keringő csillagokat. A megfigyelt halmaz tagjai közül az S2 kódjelű csillag bizonyult a legjobb jelöltnek, lévén hogy pályája legközelebbi pontján mindössze 120 csillagászati egységre (1 CSE = 150.000.000 km) haladt el a fekete lyuk mellett. Ez a távolság ugyan nagynak tűnhet (az átlagos Nap-Neptunusz távolság is csak 40 CSE), azonban a modern csillagászat történetében páratlan – még soha nem láttunk csillagot ilyen közel kerülni a Sgr A*-hoz!

Az S2 pályájának koordinátái a közelség idején. (Forrás: ESO/MPE/GRAVITY Collaboration)

Az S2 csillag fekete lyuk közelsége idén május közepére esett, ekkora a csillag már közel hét ezer km/s-os sebességre gyorsult, amelyből a látóirányú sebességkomponense, vagyis a tőlünk való távolodása is bőven meghaladta az 1000 km/s-ot. Ez utóbbi sebesség okozza az ún. vöröseltolódást, amikor a forrás (jelen esetben a csillag) által kibocsájtott hullám (vagyis a fény) a megfigyelő (ezek volnánk mi) számára hosszabb (vagyis vörösebb) hullámhosszal lesz detektálható. A vöröseltolódás nem fekete mágia, a mindennapi életben is tapasztalhatjuk (középiskolában pedig tanulhatjuk), amikor a távolodó sziréna hangja egyre mélyebb lesz, mivel az érzékelt hanghullámok egyre hosszabbak. A fent említett csillag esetében a teljes energia-eloszlása (avagy spektruma) eltolódik a vörös irányában. Néhány ezer km/s-nál az eltolódás ugyan nem látványos, a detektálása azonban gyerekjáték (exobolygókat már néhány tíz m/s-os távolodási sebességeknél is tudnak azonosítani).

A vöröseltolódás (amely lehet éppen kékeltolódás is) hatása a mozgó csillag fényére.

A kihívás ott kezdődik, hogy az einsteini gravitációelmélet szerint nem csak a relatív sebességnek, de a gravitációs térnek is van járuléka a vöröseltolódáshoz, igaz jóval kisebb. Az általános relativitáselmélet a gravitárciós tereket afféle (potenciál-)gödrökként írja le, amelybe a belefutó testek a gödör lejtős falán köröznek (lásd még, kísérler kifeszített gumilepedő közepére helyezett súllyal). Ha viszont a fekete lyuk egy jókora mélyedést kelt a téridőben, akkor az abban keringő csillag fényének előbb ‘’ki kell másznia’’ belőle, hogy eljusson hozzánk – ez pedig energiába kerül. Einstein elmélete szerint az S2-ből hozzánk jutó fotonok energiát kell, hogy veszítsenek. Egy foton energiája pedig a hullámhosszával fordítottan arányos; tehát, mire a fény kimászik a gravitációs kútból egy kicsit vörösebb lesz.

A nagy tömegű objektumok meghajlítják maguk körül a téridőt, gravitációs potenciálgödröket hozva létre maguk körül. A kifelé igyekvő fénynek, előbb ki kell mászni a gödörből, ez pedig energiaveszteséget jelent.

A probléma csak az, hogy míg jelen esetben a klasszikus vöröseltolódás sebessége több ezer km/s, addig az előzetesen számított gravitációs vöröseltolódás járuléka mindössze 200 km/s. Ennek a kicsiny plussznak a kimutatásához pedig csúcstechnológiás precízió kell, elsősorban az S2 pontos pályának, illetve sebességkomponenseinek kiszámításához. A GRAVITY kollaboráció az ESO VLT távcsöveit segítségül hívva végül az alábbi ábrán lévő adatpontokat tudta letenni az asztalra, amelyen a gravitációs vöröseltolódás kimért sebességértékei vannak felpontozva – szinte tökéletesen illeszkedve az elméleti modellre. Einsteinnek tehát újfent igaza volt! (*ásít*)

A gravitációs vöröseltolódás sebességejáruléka az évek folyamán. Az adatpontokhoz a megfigyelt értékből előbb le kellett vonni a hagyományos vöröseltolódás értékét. A piros vonal mutatja az elméleti úton számolt gravitációs vöröseltolódást - az eredmény önmagáért beszél. (Forrás: GRAVITY Collaboration / Astronomy & Astrophysics 2018)

Szintén a relativitáselmélet jóslata, hogy nem léteznek önamgukba záródó (tehát időben állandó) pályák, így az S2 is minden keringése alkalmával kicsit máshová kerül. Ez a gyakorlatban az ellipszis eltolódásában jelentkezik, amit pályaprecessziónak nevezünk. Az effektust már a 19. században megfigyelte Le Verrier francia matematikus és csillagász, amikor a Merkúr pályájának lassú módosulására lett figyelmes az évtizedes megfigyelési adatok alapján. A GRAVITY kollaboráció számításai szerint ez a pályaprecesszió az S2 esetében igen jelentős, 12 ívperc keringésenként (a Merkúrnál mindössze 0,1 ívmásodperc, de ott a gyors keringések miatt az eltérés gyorsan növekszik) és 1-2 éven belül kimutatható lesz az adatsorokból. Habár ez az eredmény (akárcsak a vöröseltolódás esetében is) is alátámasztja Einstein igazát, inkább fog számítani technikai bravúrnak, semmint új tudományos mérföldkőnek – de hát ilyen óriási távolságok esetén minden nehezebben megy.

A pálya folyamatosan eltolódik a keringések folyamán. A naprendszerbeli bolygóknál már régóta kimutatták, egy távoli rendszer esetében azonban nem ilyen egyszerű a helyzet. (Forrás: WillowW/Wikipedia)

De ha már távolság – a relativitáselmélet újbóli igazolása köré épülő sajtóhírek között háttérbe szorult két igen fontos járulékos eredmény (speciel ez nem a sajtó, hanem az eredményt rosszul kommunikáló kutatók hibája). Huszonnhat év és több tucat csillag pályaadataiból ugyanis minden korábbinál pontosabban tudták megmérni a nagyjából négy millió naptömegű és tőlünk több, mint 25000 fényévre lévő Sgr A* ezen két paraméterét. Az új eredmények birtokában immáron pontosan tudjuk (mármint 4% pontossággal, ami a galaktikus csillagászatban őrült jónak számít), hogy a szupermasszív fekete lyuk 4,1 millió naptömeggel bír – mi magunk pedig 26490 fényév távolságra vagyunk a Galaxisunk közepétől. (És talán ez jobb is így… :)

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fiction-ről egyaránt.