Superhullet i Melkeveiens sentrum herjer med supernær og ekstremt hurtig stjerne – fysikkens lover settes på prøve!
19.08.26: Helt inne i midten av Melkeveien er et monster av et sort hull. Med 4,3 millioner ganger Solens masse og diameter 26 millioner kilometer herjer dette sorte hullet med omgivelsene med sine ekstreme tyngdekrefter. Nå er en rekordnær og rekordhurtig stjerne oppdaget – en stjerne som kan la forskerne gjøre den ultimate testen av Einsteins berømte generelle relativitetsteori!
av Knut Jørgen Røed Ødegaard
Bildesekvensen ble tatt med GRAVITY-instrumentet på ESOs Very Large Telescope (VLT) og viser flere stjerner som i store hastigheter går i bane rundt superhullet i sentrum av vår galakse. En av disse stjernene, S301, passerte nylig mye nærmere det sorte hullet enn noen andre stjerner vi kjenner til.
Banen til S301 er vist som en ellipse. I hvert bilde viser den heltrukne linjen banen som stjernen har tilbakelagt frem til bildet ble tatt, mens den prikkete linjen viser hvor den kommer til å bevege seg.
Størrelsen på Neptuns bane i vårt solsystem er vist for å vise størrelsesforholdene.
Foto: ESO/GRAVITY collaboration
En større internasjonal forskningsgruppe har benyttet instrumentet GRAVITY+ på de fire 8 meter store VLT-teleskopene (Very Large Telescope) ved ESOs (European Southern Observatory) Paranal-observatorium i Chile til å observere omgivelsene til superhullet i Melkeveiens kjerne. Når disse benyttes sammen ved hjelp av såkalt interferometri gir de samme oppløsning som et teleskop med diameter 120 meter. Metoden gjør det mulig å observere ekstremt fine detaljer i svært fjerne objekter. Resultatene av undersøkelsene publiseres i dag i det velrenommerte forskningstidsskriftet Nature.
Det sorte hullet i midten av Melkeveien kalles Sagittarius A* og befinner seg 26 000 lysår fra Jorden. Fordi dette objektet er det suverent nærmeste eksempelet på et supermassivt sort hull, bruker forskerne mye ressurser på å observere og prøve å forstå objektet for dermed å kunne forklare fenomener rundt langt fjernere, men ofte også enda større sorte hull. Nylig ble det for eksempel oppdaget et sort hull som er 50 ganger større enn Solsystemet, men 1,2 milliarder lysår unna og dermed langt vanskeligere å studere.
I mai 2022 fikk vi det første bildet av Sagittarius A* (Sgr A*), det superstore sorte hullet i sentrum av Melkeveien. Bildet ble tatt med Event Horizon Telescope (EHT), som benyttet samtidige observasjoner fra åtte radioobservatorier rundt på kloden og knyttet disse sammen for å danne et virtuelt teleskop på størrelse med Jorden.
Foto: EHT Collaboration
Denne fantastiske filmen zoomer inn på superhullet I kjernen av Melkeveien!
Foto: ESO/L. Calçada, N. Risinger (skysurvey.org), DSS, VISTA, VVV Survey/D. Minniti DSS, Nogueras-Lara et al., Schoedel, NACO, GRAVITY Collaboration, EHT Collaboration (Music: Azul Cobalto)
En rekke stjerner er etter hvert oppdaget rundt Sagittarius A*, og disse blir studert mens de farer rundt superhullet. Men det oppgraderte og superkraftige GRAVITY+-instrumentet har gjort det mulig å oppdage en stjerne som kommer rekordnær Sagittarius A*. Stjernen kalles S301 og har en svært avlang bane rundt Sagittarius A*. På det nærmeste er S301 bare 1,78 milliarder kilometer fra hullet – det tilsvarer under 12 ganger Jordens avstand fra Solen i vårt solsystem, og er bare litt lenger enn avstanden mellom Solen og Saturn.
Bildesekvensen ble tatt med GRAVITY-instrumentet på ESOs Very Large Telescope (VLT) og viser flere stjerner som i store hastigheter går i bane rundt superhullet i sentrum av vår galakse. En av disse stjernene, S301, passerte nylig mye nærmere det sorte hullet enn noen andre stjerner vi kjenner til.
Banen til S301 er vist som en ellipse. I hvert bilde viser den heltrukne linjen banen som stjernen har tilbakelagt frem til bildet ble tatt, mens den prikkete linjen viser hvor den kommer til å bevege seg.
Størrelsen på Neptuns bane i vårt solsystem er vist for å vise størrelsesforholdene.
Foto: ESO/GRAVITY collaboration
Rekordhastighet
Når S301 er nærmest Sagittarius A*, kommer den opp i en hastighet på utrolige 25 000 km/s eller 90 millioner km/t, og dette er over 8 % av lyshastigheten! Det svarer til å fly fra Longyearbyen på Svalbard til Lindesnes på under 0,1 sekunder, rundt Jorden på 1,6 sekunder og til Månen på ca. 15 sekunder! Til sammenligning er Solsystemets hastighet rundt Melkeveiens sentrum i denne sammenheng ganske beskjedne 230 km/s.
Dette er den største hastigheten som noen gang er observert på noen stjerne i Melkeveien, og siden omløpstiden til S301 er 8,7 år (Solsystemets omløpstid er til sammenligning 225 millioner år!), går det under 10 år mellom hver gang ekstremfarten kan måles. Det åpner store muligheter for å teste fysikkens lover!
Massen til et objekt øker når dets hastighet tiltar, men det er først ved svært store, såkalte relativistiske hastigheter virkningen blir stor. I dette tilfellet øker massen til S301 tilsvarende 1750 ganger Jordens masse hver gang den farer innover mot punktet i banen der den er nærmest Sagittarius A*.
S301 kommer 10 ganger nærmere Sagittarius A* enn noen andre stjerner som er observert, og dens ekstremt avlange bane (eksentrisitet litt over 0,98) er perfekt for å måle rotasjonen til superhullet.
Denne animasjonen viser stjernen S301 som går i bane rundt Sagittarius A*. Banen ble funnet ved hjelp av observasjoner gjort med GRAVITY+-instrumentet på ESOs Very Large Telescope Interferometer (VLTI). Observasjonene er vist på bestemte tider i filmen. Lyskildene uten navngivning er andre stjerner som også går i bane rundt det sorte hullet, men ingen av disse kommer så nær hullet som S301. Størrelsen på Neptuns bane i vårt solsystem er vist for sammenligning.
Film: ESO/GRAVITY collaboration/L. Calçada
Sorte hull har tre egenskaper
Sorte hull er så ekstreme at de bare har tre egenskaper som ikke forsvant da de oppsto: Masse, rotasjon og ladning. Gass som blir slukt, vil i gjennomsnitt være elektrisk nøytral, og da er det kun massen og rotasjon som gjenstår som observerbare egenskaper. Massen avslører seg ved påvirkningen på omgivelsene, og er i dette tilfellet kjent med en usikkerhet på bare 0,3 %. I likhet med de aller fleste andre objekter, regner vi med at sorte hull roterer, men rotasjonen har aldri blitt målt direkte verken på dette eller noen andre sorte hull.
Rotasjonen forårsaker i kombinasjon med den ekstreme tyngdekraften at selve tid-rommet rundt hullet blir dradd og vridd, noe som forårsaker den såkalte Lense-Thirring-effekten. Denne teoretiske effekten er en konsekvens av Einsteins generelle relativitetsteori, men har aldri vært mulig å måle fordi den krever observasjoner av objekter som er ekstremt nær et sort hull.
Men S301 kommer så nær, og har i tillegg en så avlang bane, at slike målinger lar seg gjøre med dagens utstyr. S301 ble oppdaget våren 2023 like etter at den sist gang var nærmest superhullet, men har siden blitt identifisert på bilder tatt i 2021 og 2017. Neste gang S301 passerer nærmest Sagittarius A* blir i 2031. Observasjoner gjennom de kommende 10 årene skal gjøre det mulig å måle superhullets rotasjon og på den måten teste ytterligere en del av Einsteins berømte generelle relativitetsteori.
Banen til S301 rundt Sagittarius A*. Diamantsymbolene viser observasjonene som er gjort med VLTs GRAVITY. Størrelsen på Neptuns bane er vist som referanse.
S301 bruker 8 år på et omløp rundt Sagittarius A*, og banen har form som en rosett. Dette skyldes effekten av såkalt Schwarzschild-presesjon – den hadde allerede blitt målt rundt dette sorte hullet og finner sted uavhengig av om superhullet roterer eller ikke.
Dersom hullet roterer, kommer ytterligere en effekt inn i bildet. Den drar og vrir tid-rommet rundt hullet og forårsaker den såkalte Lense-Thirring-effekten.
Etter flere år kan denne effekten ha endret banen omtrent tilsvarende Jordens bane rundt Solen – en liten effekt, men stor nok til å kunne måles med VLTI og ESOs Extremely Large Telescope (under bygging).
Foto/montasje: ESO/GRAVITY collaboration/L. Calçada
Illustrasjon av den såkalte Lense-Thirring-effekten. Dersom stjernen kommer tilstrekkelig nær et roterende sort hull, blir banen påvirket på en måte som er mulig å måle over lengre tidsskalaer og med tilstrekkelig nøyaktige målinger med teleskoper og andre instrumenter.
Illustrasjon: ESO/M. Kornmesser
Et nytt superteleskop som er under bygging, ESOs Extremely Large Telescope (ELT), skal gjøre disse observasjonene enda lettere og dessuten kunne avsløre detaljer i opprinnelsen til stjernen S301.
Hvordan kom S301 så nær Sagittarius A*?
Vi kjenner etter hvert en del stjerner som er svært nær Sagittarius A* og farer rundt med store hastigheter. Den tidligere rekorden i omløpstid var 16 år, men den svært avlange banen gjør at S301 kommer 10 ganger nærmere! Hvordan kom den dit?
Tidevannskreftene fra det sorte hullet og andre fysiske forhold gjør at stjernen ikke kan ha blitt dannet så nær. Den har trolig tilfeldigvis kommet nær sammen med en nær ledsagerstjerne. Stjerneparet har blitt revet fra hverandre av tidevannskreftene, og den ene stjernen har blitt slynget i enorm hastighet ut i den såkalte haloen rundt Melkeveien, mens S301 havnet i den avlange banen tett på Sagittarius A*.
S301 ser ut til å være en såkalt hovedseriestjerne med 1,1 – 1,5 ganger Solens masse og dermed noe større lysstyrke. Siden den ikke har rukket å bli gammel og svulmet til å bli en kjempe, er den perfekt egnet for å måle rotasjonen til Sagittarius A*.
Høyoppløselig bilde av stjernemylderet mot Melkeveiens sentrum. I virkeligheten er det langt flere stjerner siden de fleste er skjult av skyer av støv og bare er synlig på bilder tatt i infrarødt lys.
Foto: ESO and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin and S. Guisard (www.eso.org/~sguisard)
Stjernekart som viser posisjonen til Sagittarius A* (rød ring). De fleste stjernene som er synlig uten kikkert under gode forhold er markert. Dette området av himmelen er langt mot syd og ikke synlig fra Norge.
Illustrasjon: ESO, IAU and Sky & Telescope
En forskergruppe har oppdaget og studert den hurtigste stjernen vi kjenner i Melkeveien, i svært tett bane rundt Sagittarius A* - det superstore sorte hullet i midten av Melkeveien. Filmen oppsummerer oppdagelsen.
Film: ESO
Denne animasjonen viser banen til S301 rundt Sagittarius A*. Diamantsymbolene anger malinger gjort med instrumentet GRAVITY+ på ESOs Very Large Telescope Interferometer (VLTI). Størrelsen på Neptuns bane i vårt solsystemn er vist for sammenligning.
S301 bruker 8,7 på et omlpp rundt det sorte hullet, og banen danner da en rosett pga. den såkalte Schwarzschild-presesjonen, en effekt som også tidligere har blitt observert rundt Sagittarius A* og som ikke avhenger av om hullet roterer.
Dersom hullet roterer, oppstår imidlertid den såkalte Lense-Thirring-effekten fordi rommet vris og dras.
S301 kommer så nær at den kan avsløre denne effekten i løpet av et par omløp.
Film: ESO/GRAVITY collaboration/L. Calçada
Denne animasjonen viser hvordan en roterende sort hull vrir på tid-rommet og forårsaker Lense-Thirring-effekten. Dersom en stjerne kommer tilstrekkelig nær et roterende sort hull, vil banen bli påvirket på en måte som kan observeres over lengre tidsskalaer med tilstrekkelig nøyaktige teleskop og instrumenter.
Film: ESO/M. Kornmesser
Forsiden
