Десятилетиями вглядываясь в движение единственной звезды в самом центре нашей галактики, астрономы заметили в ее орбите тончайшие отклонения, которые впервые подтвердили правоту общей теории относительности Эйнштейта на таких масштабах вдали от 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 сами 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, то есть смещаться при каждом обороте планеты. И наблюдаемая прецессия перигелия Меркурия стала первым наблюдаемым доказательством верности теории относительности. За более чем столетие ОТО получила ряд наблюдательных подтверждений, в частности, существуют три широко известных классических эффекта — смещение перигелия орбиты Меркурия, отклонение световых лучей в гравитационном поле Солнца и замедление времени в гравитационном поле. Проверить постулаты ОТО на больших расстояниях ученые попробовали, понаблюдав за центральной областью Млечного пути Sagittarius A*, где, согласно современным данным, имеется сверхмассивная черная дыра массой в 4 млн масс Солнца. Область вблизи этой дыры уже давно притягивает повышенное внимание ученых, так как она населена большим числом молодых и старых звезд, вращающихся вокруг нее. Ученым известны движения порядка 10 тыс. орбит таких звезд, и для 50 из них построены точные орбиты. Орбиту одной из них, звезды S2, ученым удалось исследовать с особенной точностью при помощи телескопа VLT в Чили. Двигаясь по эллиптической орбите, звезда подходит к дыре на расстояние менее 20 млрд километров (120 расстояний от Земли до Солнца), что делает ее одним из наиболее близких к черной дыре известных объектов. В этот момент звезда сильно ускоряется, приобретая скорость, равную 3% скорости света. Полный оборот звезда совершает за 16 лет. «После слежения за орбитой звезды в течение двух с половиной десятков лет наши тонкие измерения надежно показали шварцшильдовскую прецессию вокруг Sagittarius A*», — пояснил Стефан Гиллессен из Института внеземной физики Общества Макса Планка, автор статьи, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics. За это время ученые обнаружили, что точка максимального сближения звезды с дырой немного смещается после каждого обращения (на 12 угловых минут), причем величина этого сдвига в точности совпадает с расчетной величиной. Ранее этот эффект, хотя в его наличии ученые и не сомневались, никогда не наблюдался у звезды, вращающейся вблизи сверхмассивной черной дыры. Орбиты ближайших к дыре звезд Помимо проверки ОТО наблюдаемый эффект позволит ученым лучше исследовать окрестности черной дыры. «Поскольку наблюдения за S2 так хорошо ложатся на ОТО, мы можем наложить строгие ограничения на количество невидимого вещества – темной материи и возможных небольших черных дыр вокруг Sagittarius A*. Это представляет огромный интерес для понимания образования и эволюции сверхмассивных черных дыр», — считает Гай Перрин, соавтор работы. Поскольку полный оборот вокруг черной дыры звезда совершает за 16 лет, ученым было необходимо проследить за изменением ее орбиты на протяжении почти трех десятков лет. С помощью трех разных инструментов за эти годы они измерили точное положение и скорость звезды в 330 разных точках орбиты. «Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что ограниченные орбиты тел не являются замкнутыми, как в ньютоновской гравитации, а прецессируют вперед в плоскости движения. Этот известный эффект, впервые увиденный в орбите Меркурия, был первым доказательством ОТО. Спустя сто лет мы обнаружили тот же эффект в движении звезды вокруг компактного радиоисточника Sagittarius A* в центре Млечного пути», — пояснил Ренхард Генцель, директор Института.
Звезда, вращающаяся в самом центре нашей галактики вокруг черной дыры, позволила проверить теорию относительности Эйнштейна. Наблюдая за ней 30 лет, ученые обнаружили предсказанный век назад тонкий эффект.