Наблюдая за звездами, быстро движущимися вблизи центра галактики Млечный Путь, астрономы смогли получить еще одно наблюдательное проявление Общей теории относительности, предложенной Эйнштейном век назад. Согласно современным данным, в центре нашей галактики Млечный Путь, который находится в 26 тыс. световых лет от Солнца, имеется сверхмассивная черная дыра массой в 4 млн масс Солнца. До появления Общей теории относительности при описании движения космических тел астрономы полагались на законы ньютоновской механики. Однако ОТО, предложенная в 1915 году Альбертом Эйнштейном, постулировала, что природа гравитации более сложна и на движение астрофизических объектов оказывает влияние кривизна пространства-времени. Искривление это вызывают различные тяготеющие объекты, такие как звезды, планеты и черные дыры, подобно тому, как тяжелый шар, помещенный в центр батута, искривляет под собой его поверхность. Одним из предсказаний ОТО стало утверждение, что перигелии всех планетных орбит должны прецессировать. И наблюдаемая прецессия перигелия Меркурия стала первым наблюдаемым доказательством верности Теории относительности. Теперь же, спустя век после истории с Меркурием, астрономы Европейской южной обсерватории сумели показать, что подобные релятивистские эффекты оказывают влияние на движение тел на куда больших масштабах — вблизи центра нашей галактики. В течение двадцати лет, используя телескоп VLT (Very Large Telescope) Европейской южной обсерватории в Чили, астрономы отслеживали движения трех звезд вблизи Стрельца A* — компактного радиоисточника, который ассоциируется со сверхмассивной черной дырой в центре галактики. Анализ этих движений показал, что орбита одной из этих звезд – S2 – не описывается уравнениями ньютоновской механики. S2 — звезда в 15 раз тяжелее Солнца, которая бешено вращается вокруг центральной черной дыры по эллиптической орбите с периодом 16 лет. Каждый раз приближаясь к черной дыре, звезда оказывается от нее на расстоянии всего 17 световых часов, что соответствует 120 расстояниям между Землей и Солнцем. Именно в этот момент орбита звезды претерпевает мельчайшие отклонения, которые не могут быть описаны законами Ньютона, а, наоборот, совпадают с предсказаниями Общей теории относительности. «Мы проанализировали данные на предмет того, что ждали от ОТО, и увидели серьезные указания, что мы получили ожидаемый ответ», — рассказал Андреас Екарт из Университета Кельна, автор работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal. Отклонения звезды от «ньютоновской» орбиты оказались едва заметными — параметры орбиты отклонились лишь на несколько процентов. «Галактический центр действительно является лучшей лабораторией для изучения звезд в релятивистском окружении. Я был поражен тому, как нам удалось применить разработанные нами методы к высокоточным данным для звезд, быстро вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры», — сказал Марцих Парса, студент, участвовавший в работе. По словам ученых, наблюдение релятивистского эффекта на таких больших масштабах — важное достижение, впрочем, они называют свои результаты предварительными. Это связано с недостатком качественных наблюдательных данных этого региона в прошлом и с удаленностью от Земли объекта наблюдений. «Чтобы проверить, есть ли здесь нарушение Общей теории относительности, нам надо куда большее отношение сигнал/шум», — пояснил астрофизик. Подтвердить ранее сделанные выводы ученые намерены путем дополнительных наблюдений уже в 2018 году, когда звезда S2 вновь подойдет к черной дыре на минимально возможное расстояние. Если выводы подтвердятся, это станет первым наблюдаемым доказательством релятивистских эффектов на примере звезд, движущихся в гравитационном поле сверхмассивной черной дыры. Провести более точные измерения позволит установленный на телескопе VLT новый прибор GRAVITY, который начал работу в 2016 году.
Звезды, вращающиеся вокруг центра нашей галактики, впервые подтвердили правильность Общей теории относительности. Доказать это удалось благодаря многолетним наблюдениям за ними.