Een Europees team van astronomen heeft het nieuwe GRAVITY-instrument van ESO’s Very Large Telescope (VLT) gebruikt om spannende waarnemingen te doen van het centrum van onze Melkweg. Daarbij is voor het eerst het licht van alle vier de 8,2-meter Unit Telescopes van de VLT gecombineerd. De resultaten zijn een voorproefje van de grensverleggende wetenschap die GRAVITY zal opleveren door de extreem sterke zwaartekrachtvelden in de buurt van het centrale superzware zwarte gat te meten en Einsteins algemene relativiteitstheorie te toetsen. Het GRAVITY-instrument werkt nu samen met de vier 8,2-meter Unit Telescopes van ESO’s Very Large Telescope, en zelfs de allereerste testresultaten geven al aan dat dit binnenkort wetenschap van wereldklasse zal gaan opleveren.
GRAVITY maakt deel uit van de VLT Interferometer. Door het licht van de vier telescopen te combineren kan het instrument dezelfde resolutie en meetprecisie bereiken als een telescoop met een diameter van 130 meter. Dankzij de verbeteringen in oplossend vermogen en meetnauwkeurigheid – met een factor 15 in vergelijking met de afzonderlijke 8,2-meter Unit Telescopes – zal GRAVITY verbazingwekkend nauwkeurige waarnemingen van astronomische objecten kunnen doen. Een van de hoofdtaken van GRAVITY is het verrichten van gedetailleerde waarnemingen van de omgeving van het 4 miljoen zonsmassa’s zware zwarte gat in het exacte middelpunt van de Melkweg [1]. Hoewel positie en massa van dit zwarte gat al sinds 2002 bekend zijn, zullen GRAVITY’s precisiemetingen van de bewegingen van de daaromheen draaiende sterren astronomen in staat stellen om het zwaartekrachtveld rond het zwarte gat ongekend nauwkeurig in kaart te brengen. Op die manier kan Einsteins algemene relativiteitstheorie op unieke wijze worden getoetst.
In dit opzicht zijn de eerste waarnemingen met GRAVITY al heel succesvol. Het GRAVITY-team [2] heeft het instrument gebruikt om waarnemingen te doen van ‘S2’, een ster die in slechts 16 jaar een rondje om het centrale zwarte gat draait. Deze tests hebben op indrukwekkende wijze aangetoond hoe gevoelig GRAVITY is: hij kon de zwakke ster binnen enkele minuten opsporen. Het team zal binnenkort in staat zijn om metingen te doen van de ster, die in precisie vergelijkbaar zijn met het tot op een centimeter nauwkeurig meten van de positie van een voorwerp op de maan. Op die manier kan worden vastgesteld of de beweging rond het zwarte gat aan de voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie voldoet – of niet. De nieuwe waarnemingen tonen aan dat het galactisch centrum een ideaal onderzoekslaboratorium is.
‘Het was een fantastisch moment voor het hele team, toen het licht van de ster – na acht jaar hard werken – voor het eerst interfereerde,’ zegt GRAVITY’s hoofdwetenschapper Frank Eisenhauer van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Duitsland. ‘Eerst hebben we de interferentie gestabiliseerd op een nabije heldere ster, en een paar minuten later konden we – onder uitwisseling van de nodige high fives – de interferentie van de zwakke ster al zien.’ Op het eerste gezicht hebben noch de referentiester, noch de ster die om het zwarte gat draait zware begeleiders, die de waarnemingen en de analyse daarvan zouden bemoeilijken. ‘Het zijn ideale meetobjecten,’ aldus Eisenhower. Dit snelle succes komt precies op tijd. In 2018 zal S2 zijn kleinste afstand tot het zwarte gat bereiken – slechts 17 lichtuur daarvandaan – en een snelheid van bijna 30 miljoen kilometer per uur bereiken oftewel 2,5% van de lichtsnelheid. Dan zullen de effecten van de algemene relativiteitstheorie het duidelijkst merkbaar zijn en zullen de GRAVITY-waarnemingen hun belangrijkste vruchten afwerpen [3]. Die gelegenheid zal zich pas 16 jaar later opnieuw voordoen.
Noten
[1] Het centrum van de Melkweg – ons eigen sterrenstelsel – staat van ons uit gezien in het sterrenbeeld Boogschutter, op een afstand van ongeveer 25.000 lichtjaar.
[2] Het GRAVITY-consortium bestaat uit: het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), het Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), LESIA van Observatoire de Paris, IPAG van de Université Grenoble Alpes/CNRS, de Universiteit van Keulen, het Centro Multidisciplinar de Astrofísica van de Universiteit van Lissabon, het Centro Astrofísica van de Universiteit van Porto (SIM) en ESO.
[3] Het team zal, voor het eerst, twee relativistische effecten kunnen meten bij een ster die om een zwaar zwart gat draait: de gravitationele roodverschuiving en de precessie van het pericentrum (het punt van de omloopbaan van de ster dat het dichtst bij het zwarte gat ligt).
De roodverschuiving ontstaat doordat het licht van de ster moet opboksen tegen de sterke zwaartekrachtsaantrekking van het zwarte gat en daarbij energie verliest. Hierdoor schuiven de golflengten van het licht op naar het rode uiteinde van het spectrum. Het tweede effect heeft betrekking op de omloopbaan van de ster en zorgt ervoor dat deze niet volmaakt ellipsvormig is. Wanneer de ster dicht langs het zwarte gat beweegt, draait de oriëntatie van zijn baan met ongeveer een halve graad. Datzelfde effect is waarneembaar bij de beweging van de planeet Mercurius om de zon, maar is daar wel 6500 keer zo zwak. Door de grote afstand van het galactisch centrum is de precessie daar veel moeilijker waarneembaar dan in ons eigen zonnestelsel.
