De ster S2 gedraagt zich exact zoals Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie voorspelt.

Onderzoekers hebben wederom bewijs gevonden voor Einsteins algemene relativiteitstheorie. Een ster rond het superzware zwarte gat in het centrum van onze Melkweg beweegt namelijk precies zoals Einstein in zijn wetten voorspelt. En dus blijken Einsteins ideeën opnieuw stand te houden.

Einsteins algemene relativiteitstheorie
“Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat de omloopbaan van het ene object om het andere niet gesloten is, zoals voorspeld door de zwaartekrachttheorie van Newton, maar een voorwaartse precessiebeweging maakt,” vertelt onderzoeker Reinhard Genzel. Dit beroemde effect is voor het eerst waargenomen bij de baanbeweging van de planeet Mercurius om de zon en leverde het eerste bewijs dat de algemene relativiteitstheorie klopte. “Nu, honderd jaar later, hebben we hetzelfde effect gedetecteerd bij de beweging van een ster die om de compacte radiobron Sagittarius A* in het centrum van de Melkweg draait,” gaat Genzel verder. Deze observationele doorbraak versterkt het bewijs dat Sagittarius A* een superzwaar zwart gat met 4 miljoen keer de massa van de zon moet zijn.”


Superzwaar zwart gat
Sagittarius A* is het dichtstbijzijnde superzware zwarte gat en ligt op 26.000 lichtjaar van de aarde vandaan in het hart van de Melkweg. Dit zwarte gat wordt omringd door een kleine groep sterren die er met hoge snelheid omheen cirkelen. Een van deze sterren, S2, doorloopt een zeer excentrische baan en nadert het zwarte gat eens in de 16 jaar tot op minder dan twintig miljard kilometer – ofwel 120 keer de afstand van de aarde naar de zon. Hiermee is deze ster een van de meest nabije sterren die ooit bij Sagittarius A* is opgespoord.

Metingen
“Onderzoekers houden S2 al lange tijd in de gaten, voornamelijk met behulp van ESO’s Very Large Telescope (VLT) die zich in de Chileense Atacama-woestijn bevindt. In totaal zijn er meer dan 330 metingen verricht. Omdat elke omloop van S2 om het zwarte gat zestien jaar duurt, was het van cruciaal belang om de ster drie decennia lang op de voet te volgen. Alleen zo komen de subtiliteiten van zijn baanbeweging aan het licht.

Rozet
Het werk is niet voor niets geweest. “Na de beweging van deze ster gedurende meer dan 25 jaar gevolgd te hebben, laten onze nauwkeurige metingen de Schwarzschild-precessie van de omloopbaan van S2 duidelijk zien,” vertelt onderzoeker Stefan Gillessen. Hiermee wordt een geringe draaiing van de baan van de ster bedoeld die optreedt terwijl S2 van het zwarte gat weg beweegt. Deze kleine rotatie van de stellaire baan van S2 hebben onderzoekers nu duidelijk in kaart gebracht. En daaruit blijkt dat zijn baan rozetvormig is in plaats van elliptisch, zoals Newtons zwaartekrachttheorie suggereert. Daarmee blijken de resultaten volledig in lijn met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie.


Meer over de Schwarzschild-precessie
De meeste sterren en planeten draaien niet in een perfecte cirkel rond het object waar ze omheen bewegen. Hierdoor varieert de afstand tot dit object. In het geval van S2 vertoont de omloopbaan ‘precessie’ wat inhoudt dat de locatie van het punt van dichtste nadering tot het superzware zwarte gat per omloop opschuift. Het gevolg is dat elke volgende omloopbaan een stukje verdraaid is ten opzichte van de vorige. In het geval van S2 blijkt nu dat deze ster er een rozetvormige baan op na houdt. De algemene relativiteitstheorie doet een nauwkeurige voorspelling van die verdraaiing en de laatste metingen van dit onderzoek zijn daarmee volledig in overeenstemming. Dit effect, dat bekendstaat als de Schwarzschild-precessie, is nooit eerder gemeten voor een ster die om een superzwaar zwart gat draait.

Artistieke impressie van de Schwarzschild-precessie. Afbeelding: ESO/L. Calçada

Dankzij de bevindingen komen we steeds meer te weten over de barre omgeving rond het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel. “Omdat de metingen van S2 zich zo goed aan de algemene relativiteitstheorie houden, kunnen we een stringente bovengrens opleggen aan de hoeveelheid onzichtbaar materiaal – in de vorm van donkere materie of mogelijke kleinere zwarte gaten – dat er in de omgeving van Sagittarius A* aanwezig is,” beweren de Franse onderzoekers Guy Perrin en Karine Perraut. “Dit is van groot belang voor ons begrip over het ontstaan en de evolutie van superzware zwarte gaten.”

Vorig onderzoek
Het is trouwens niet voor het eerst dat de onderzoekers een effect dat door de algemene relativiteitstheorie wordt voorspeld, bevestigen. Dat gebeurde twee jaar geleden ook al. Einstein voorspelde dat licht uitgerekt wordt als het afkomstig is van een sterk zwaartekrachtveld, dit wordt ook wel roodverschuiving genoemd. Als de ster namelijk dicht bij het zwarte gat komt, zorgt diens zeer sterke zwaartekrachtveld ervoor dat de kleur van de ster enigszins naar het rood verschuift. En de verandering in golflengte van het licht van S2 lieten dit toen destijds duidelijk zien. “Ons vorige resultaat toonde aan dat het licht dat door de ster wordt uitgezonden het effect van de algemene relativiteit voelt. En nu hebben we aangetoond dat dit ook voor de ster zelf geldt,” concludeert Paulo Garcia.

Het team is echter nog niet klaar. Met ESO’s toekomstige Extremely Large Telescope willen ze namelijk nog veel zwakkere sterren die op nog kleinere afstanden rond het superzware zwarte gat cirkelen, opsporen. “Als we geluk hebben, kunnen we misschien zelfs sterren zien die zich zo dichtbij bevinden, dat ze de spin – de draaiing  – van het zwarte gat ‘voelen’,” zegt onderzoeker Andreas Eckart. Dit zou betekenen dat astronomen in staat zouden zijn om de twee grootheden te meten – spin en massa – die Sagittarius A* karakteriseren en de ruimte en tijd daaromheen te definiëren. “Dat zou het testen van de relativiteit weer naar een heel ander niveau tillen.”