понедельник, 30 июля 2018 г.

First Successful Test of General Relativity Near Supermassive Black Hole

Obscured by thick clouds of absorbing dust, the closest supermassive black hole to the Earth lies 26,000 light-years away at the centre of the Milky Way. This gravitational monster, which has a mass four million times that of the Sun, is surrounded by a small group of stars orbiting around it at high speed.This extreme environment - the strongest gravitational field in our galaxy - makes it the perfect place to explore gravitational physics, and particularly to test Einstein's general theory of relativity. New infrared observations from the exquisitely sensitive GRAVITY, SINFONI and NACO instruments, developed under the lead of the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), have now allowed astronomers to follow one of these stars, called S2, as it passed very close to the black hole during May 2018. At the closest point this star was at a distance of less than 20 billion kilometres from the black hole and moving at a speed in excess of 25 million kilometres per hour - almost three percent of the speed of light.


The team compared the position and velocity measurements from GRAVITY and SINFONI respectively, along with previous observations of S2 using other instruments, with the predictions of Newtonian gravity, general relativity and other theories of gravity. The new results are inconsistent with Newtonian predictions and in excellent agreement with the predictions of general relativity.

These extremely precise measurements were made by an international team led by Reinhard Genzel (MPE) in Garching, Germany, in conjunction with collaborators around the world, at the Paris Observatory-PSL, the Universite Grenoble Alpes, CNRS, the Max Planck Institute for Astronomy, the University of Cologne, the Portuguese CENTRA (Centro de Astro?sica e Gravitacao) and ESO. The observations are the culmination of a 26-year series of ever-more-precise observations of the centre of the Milky Way using ESO instruments.

"This is the second time that we have observed the close passage of S2 around the black hole in our galactic centre. But this time, because of much improved instrumentation, we were able to observe the star with unprecedented resolution," explains Genzel. "We have been preparing intensely for this event over several years, as we wanted to make the most of this unique opportunity to observe general relativistic effects."

The new measurements clearly reveal an effect called gravitational redshift. Light from the star is stretched to longer wavelengths by the very strong gravitational field of the black hole. And the change in the wavelength of light from S2 agrees precisely with that predicted by Einstein's general theory of relativity. This is the first time that this deviation from the predictions of the simpler Newtonian theory of gravity has been observed in the motion of a star around a supermassive black hole.

The team used SINFONI to measure the velocity of S2 towards and away from Earth and the GRAVITY instrument in the VLT Interferometer (VLTI) to make extraordinarily precise measurements of the changing position of S2 in order to define the shape of its orbit. GRAVITY creates such sharp images that it can reveal the motion of the star from night to night as it passes close to the black hole - 26,000 light-years from Earth.

"Our first observations of S2 with GRAVITY, about two years ago, already showed that we would have the ideal black hole laboratory," adds Frank Eisenhauer (MPE), principal investigator of GRAVITY and the SINFONI spectrograph.

"During the close passage, we could even detect the faint glow around the black hole on most of the images, which allowed us to precisely follow the star on its orbit, ultimately leading to the detection of the gravitational redshift in the spectrum of S2."

More than one hundred years after he published his paper setting out the equations of general relativity, Einstein has been proved right once more - in a much more extreme laboratory than he could have possibly imagined!

"Due to the extremely strong gravitational field we expect to see the effects of general relativity - but only if we can look close enough," says Stefan Gillessen, "This is why we needed to push the technology. With SINFONI we can measure the radial velocity of stars very accurately and GRAVITY gives us extremely sharp images and accurate positions."

Continuing observations are expected to reveal another relativistic effect very soon - a small rotation of the star's orbit, known as Schwarzschild precession - as S2 moves away from the black hole.

Xavier Barcons, ESO's Director General, concludes: "ESO has worked with Reinhard Genzel and his team and collaborators in the ESO Member States for over a quarter of a century. It was a huge challenge to develop the uniquely powerful instruments needed to make these very delicate measurements and to deploy them at the VLT in Paranal. The discovery announced is the very exciting result of a remarkable partnership."

воскресенье, 22 апреля 2018 г.

Темная материя может состоять из первичных черных дыр, считают ученые

Астрономы, изучающие движение галактик и особенности реликтового излучения, в последнем столетии пришли к выводу о том, что большая часть материи во Вселенной является невидимой. Примерно 84 процента материи космоса представляет собой темную материю, большая часть которой сосредоточена в гало, окружающих галактики. Она получила название «темная материя», поскольку не излучает свет, однако этим ее таинственность не исчерпывается – темная материя также не состоит из атомов или их компонентов, таких как электроны и протоны. Одна из версий происхождения темной материи связывает ее с первичными черными дырами, гипотетическими объектами, возникшими в ранней Вселенной в результате стремительно развивающихся процессов, таких как космическая инфляция или прямой коллапс первичного газа. В новой работе астрономы во главе с Киронгом Чжу (Qirong Zhu) из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, попытались проверить эту гипотезу, используя в качестве критерия проверки распределение плотности в гало галактик. Согласно команде Чжу, в том случае если гало галактик состоят из первичных черных дыр, распределение плотности в них будет отличаться от распределения плотности в гало галактик, состоящих из экзотических частиц.


Исследователи считают, что в качестве объектов таких наблюдений следует выбирать тусклые карликовые галактик, поскольку для них эти эффекты изменения распределения плотности будут выражены в наибольшей степени. Чжу и его команда в своей работе провели сеанс компьютерного моделирования, чтобы проверить, могут ли карликовые галактики помочь обнаружить присутствие первичных черных дыр – и пришли к утвердительному выводу. Согласно авторам взаимодействия между звездами и первичными черными дырами гало галактик могут слегка изменить распределение звезд в них.

воскресенье, 8 апреля 2018 г.

Гравитационные волны, формируемые черными дырами в центрах галактик

Гравитационные волны могут формироваться в центрах галактик, сообщается в новом исследовании, проведенном группой ученых под руководством Джозефа Фернандеса (Joseph Fernandez) из Ливерпульского университета имени Джона Мурса, Великобритания. Гравитационные волны представляют собой мелкую рябь пространства-времени, распространяющуюся по Вселенной. Когда во Вселенной сталкиваются два массивных объекта, таких как черные дыры или нейтронные звезды, происходит формирование гравитационных волн, расходящихся в стороны от места столкновения. Этот феномен был предсказан Альбертом Эйнштейном в 1915 г. Амплитуда этих изменений согласно прогнозам должна была быть настолько крохотной, что Эйнштейн даже не рассчитывал обнаружить гравитационные волны. Однако в 2015 г., спустя сто лет после того, как был сделан этот прогноз, ученые впервые смогли наблюдать гравитационные волны напрямую. Обнаруженные гравитационные волны исходили со стороны пары черных дыр звездных масс (примерно по 30 масс Солнца каждая), которые упали друг на друга и в конечном счете объединились.


С того времени ученые обнаружили еще 4 события слияния черных дыр, однако наука до сих пор не приблизилась к пониманию механизмов, заставляющих черные дыры сближаться настолько, что становится возможным формирование гравитационных волн.

В новой работе команда Фернандеса показывает, что сверхмассивная черная дыра (СМЧД), лежащая в центре галактики, может изменить орбиты компонент двойной звездной системы так, что окажется возможным приведение компонент системы в очень тесный контакт, и продолжительность их обращения друг относительно друга перед слиянием будет в 100 раз ниже, чем в отсутствие такого искажения орбит со стороны СМЧД. Этого может оказаться достаточно, чтобы двойная система успела за время существования нашей Вселенной достичь фазы слияния компонент, считают Фернандес и его коллеги.

Исследование было представлено 3 апреля на Европейской неделе астрономии и наук о космосе, проходившей в Ливерпуле, Великобритания.

четверг, 5 апреля 2018 г.

В центре Млечного пути лежат тысячи черных дыр, выяснили ученые

Команда астрофизиков открыла несколько сотен черных дыр, концентрирующихся вокруг сверхмассивной черной дыры (СМЧД) Млечного пути Стрелец А*. В течение более чем двух десятилетий исследователи искали доказательства в пользу гипотезы, согласно которой тысячи черных дыр звездных размеров окружают сверхмассивную черную дыру, лежащую в центре крупной галактики. «Нам известно о существовании всего лишь пяти десятков черных дыр во всей Галактике – и в то же время мы предполагаем наличие от 10000 до 20000 этих объектов в границах области размером 6 световых лет, которые, однако, до сих пор так и не были никем обнаружены», - рассказал главный автор нового исследования Чак Хейли (Chuck Hailey) из Колумбийского университета, США. Ученым известно, что СМЧД Млечного пути окружена плотным гало из газа и пыли, в котором с высокой вероятностью могут формироваться черные дыры. Изолированную черную дыру во Вселенной увидеть практически невозможно, поэтому команда Хейли в своей работе наблюдала двойные системы, состоящие из черной дыры и звезды небольшой массы.


 В таких системах происходят несильные, но различимые рентгеновские вспышки, которые регистрируются космической рентгеновской обсерваторией НАСА Chandra («Чандра»). Зная отношение общего числа черных дыр к числу черных дыр, входящих в состав двойных систем со звездами небольших масс, можно на основании этих данных рассчитать общее предполагаемое число черных дыр, указывают Хейли и его соавторы.

Проведя такой анализ, исследователи обнаружили примерно 500 двойных систем, включающих черную дыру и звезду небольшой массы, а рассчитанное на основании этих данных общее число черных дыр в окрестностях СМЧД Стрелец А* составило примерно 10000.

понедельник, 26 марта 2018 г.

Ученые посвящают рождение новой черной дыры Стивену Хокингу

Один из телескопов сети MASTER Global Robotic Net telescopes (MSU), расположенный на острове Тенерифе (Испания, Канарские острова) помог ученым наблюдать гамма-всплеск, вызванный коллапсом одной звезды и формированием на ее месте черной дыры. Обычные телескопы неспособны осуществлять наведение на гамма-всплески с достаточно высокой скоростью, чтобы отследить изменения их яркости и получить информацию об их источниках. Гамма-всплески регистрируются космическими обсерваториями довольно часто – каждый день. Эти энергетические всплески сопровождают события столкновения нейтронных звезд или коллапса массивной звезды с превращением ее в нейтронную звезду, кварковую звезду или черную дыру. В случае каждого из перечисленных событий выделяются огромные количества энергии, и телескопы могут обнаружить гамма-всплески, даже если те происходят на расстояниях в миллионы и миллиарды световых лет от Земли. Гамма-всплески длятся от нескольких миллисекунд до десятков секунд и регистрируются в различных диапазонах.


«Главной задачей сети телескопов MASTER Global Robotic Net являются наблюдения раннего оптического излучения гамма-всплеска перед его затуханием. В оптическом диапазоне мы наблюдали всё это событие целиком, от начала до конца. Это редкий случай, который выдается лишь два или три раза в год, и, как правило, такие наблюдения всегда проводятся при помощи сети телескопов MASTER», - рассказал руководитель проекта MASTER Global Robotic Net и профессор кафедры физики Московского государственного университета Владимир Липунов.

Сообщение об этом открытии посвящено памяти Стивена Хокинга и опубликовано на веб-сайте Astronomer"s Telegram.