Stjerne danser rundt om sort hul - og viser, at Einstein har ret

Har du lyst til at komme rigtig langt bort fra coronakrisen - måske til et fjernt sted, hvor stjerner danser omkring sorte huller?

Så skal du rejse til centrum af Mælkevejen. Her finder du et stort, sort hul - et objekt, som er ufattelig tungt og sammenpresset, og som derfor giver anledning til mystiske og fascinerende fænomener.

I et nyt studie beskriver forskerne en stjerne, som kredser rundt om et stort, sort hul i centrum af Mælkevejen. Og de viser, at stjernen bevæger sig netop sådan, som det forudsiges i fysikeren Albert Einstens berømte relativitetsteori fra 1915.

»Det er meget spændende. Det viser os endnu en gang, at Einstein har ret,« siger Marianne Vestergaard, som er lektor i astrofysik på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet, til Videnskab.dk.

\ Læs mere

Første billede af et sort hul nogensinde: »Ligner en ring af ild«

Længe ventet

Det nye forskningsresultat har været længe undervejs.

Det har krævet årtiers målinger og fintfølende instrumenter at kunne påvise, at stjernens bevægelser følger forudsigelserne i Einsteins generelle relativitetsteori.

»Vi har gået og ventet på, at resultatet skulle komme. Vi vidste, det var på vej, og i virkeligheden havde det været meget mere overraskende, hvis de var nået frem til, at Einstein ikke havde ret,« siger Marianne Vestergaard og tilføjer:

»Men det er et vigtigt resultat, for det viser, at når vi er kreative nok og har den rette teknologi, så kan vi lave målinger, som er præcise nok til at overbevise selv de mest kritiske forskere.«

Newton har ikke ret

Før Einstein kom på banen og vendte op og ned på vores forståelse af tid, rum og tyngdekraft i starten af 1900-tallet, var det en anden berømt fysiker; britiske Isaac Newton (1642-1727), som havde de førende formler om tyngdekraftens love.

Hvis Newtons teorier havde holdt stik, ville stjernen i det nye studie - kaldet S2-stjernen - have en langt ‘kedeligere’ og mere ensformig dans rundt om det sorte hul i centrum af Mælkevejen.

»Hvis Newtons lov om tyngdekraften var gældende, ville stjernen blive ved med at bevæge sig i den samme bane om det sorte hul. Som om den kørte i en bane på de samme togskinner,« forklarer Marianne Vestergaard og fortsætter:

»Men forskerne bag studiet viser med deres præcise målinger, at banen bliver forskudt en lille smule for hver eneste omgang, og det er netop det, som Einsteins teorier forudsiger.«

\ Læs mere

Store opdagelser: Newton og gravitationsloven

Danser som en blomst

Du kan se, hvordan stjernens bane bliver forskudt, i illustrationen herunder. Forskydningen sker sådan, at S2-stjernen kommer til at danse omkring det sorte hul i et mønster, der minder om en rosetta - altså en blomst.

For forståelsens skyld er mønstret overdrevet i illustrationen.

Denne form for forskydning af stjerner og planeters bane kaldes også for 'Schwarzschild præcession' (at 'præcessere' kan nogenlunde oversættes med at 'slingre' på samme måde som en snurretop ).

»Denne berømte effekt - som første gang blev set i planeten Merkurs bane omkring Solen - var det første bevis til fordel for relativitetsteorien. 100 år senere har vi nu påvist den samme effekt i en stjernes bevægelser,« lyder det i en pressemeddelelse fra Reinhard Genzel, som har stået i spidsen for projektet og er direktør ved Max Planck Instituttet for Extraterrestrial Fysik i Tyskland.

Schwarzschild præcession er altså tidligere blevet påvist for planeterne i vores eget solsystem, men det er første gang, at effekten er fundet for en stjerne, som kredser om et sort hul.

16 år lang dans

Stjernen S2, som er hovedperson i det nye studie, er en af de tætteste stjerner, der nogensinde er fundet i kredsløb om det supertunge sorte hul i centrum af Mælkevejen.

Når S2 er tættest på det sorte hul, er afstanden mindre end 20 milliarder kilometer, hvilket svarer til 120 gange afstanden mellem Solen og Jorden.

I alt tager det stjernen 16 år at nå hele vejen rundt i sin bane, og den bevæger sig meget hurtigt.

Når S2 er tættest på det sorte hul, bevæger den sig gennem rummet med en hastighed på næsten tre procent af lysets hastighed, har forskerne udregnet.

Hård konkurrence

Det nye studie er kulminationen af 27 års observationer af S2-stjernen. Stjernen er i størstedelen af tiden blevet studeret med flere instrumenter på observatoriet Very Large Telescope (VLT) i Atacamaørkenen i Chile.

Fordi det tager S2-stjernen 16 år at gennemføre sin bane om det sorte hul, måtte forskerne bag det nye studie følge stjernen i næsten tre årtier for at afsløre udviklingen i dens banebevægelse.

»Det vigtige er, at de har observeret stjernen to gange, mens den har været inde og vende omkring det sorte hul,« siger Marianne Vestergaard.

»Det ville selvfølgelig være endnu bedre med flere målinger, men over de seneste tre år har forskerne fået nye og meget præcise målinger, og sammenholdt med de tidligere års målinger har de nok materiale til at påvise, at banen forskyder sig,« tilføjer hun.

\ Læs mere

Supertungt sort hul fortærer en kæmpeplanet

Bruger fire teleskoper som ét

De nye og meget præcise målinger stammer fra i alt fire teleskoper i Atacamaørkenen.

Siden 2018 har forskerne brugt en særlig teknik, som har gjort dem i stand til at udnytte de fire teleskoper som ét stort teleskop.

Det giver forskerne en fordel. Generelt gælder der nemlig, at jo større teleskop, des større nøjagtighed i målingerne.

»De kombinerer lyset fra alle fire teleskoper på en snedig måde, som gør, at de får en meget stor nøjagtighed. Derfor kan de afgøre stjernens position med meget stor præcision,« forklarer Marianne Vestergaard.

Hver især er de fire teleskoper i Atacamaørkenen kun 8 meter i diameter. Men når deres målinger lægges sammen, får forskerne et superteleskop med en opløsning, der svarer til opløsningen på et teleskop på 130 meter i diameter, oplyser Det Europæiske Sydobservatorium (ESO).

Strækker lyset ud

I 2018 kunne det samme forskerhold præsentere et andet forskningsresultat om den samme stjerne og det samme sorte hul:

Forskerne kunne observere, at lyset fra S2-stjernen blev strakt ud til længere bølgelængder, mens stjernen passerede tæt på det sorte hul - en effekt, som også forudsiges af den generelle relativitetsteori - læs mere om det i artiklen Sort hul bekræfter Einsteins relativitetsteori.

Hvis du sidder og føler, at du konstant læser, at Einstein har ret, er det ikke helt skævt.

For nyligt skrev Videnskab.dk eksempelvis artiklen Igen har Einstein ret: Hvid dværg rykker rumtiden rundt, som handler om påvisning af helt tredje effekt, der også forudsiges af Einsteins relativitetsteori.

Men hvorfor er forskerne så forhippede på at teste, om Einstein har ret?

En hed drøm for fysikere

Svaret hænger i høj grad sammen med fysikernes drøm om kunne forstå tyngdekraften; en kraft som er helt grundlæggende for universets opbygning - ja helt grundlæggende for os selv.

Vores nutidige forståelse af tyngdekraften bygger på Einsteins generelle relativitetsteori.

Men desværre har Einsteins teori den mangel, at den ikke kan forenes med kvantefysikken - en vigtig og fundamental gren af fysikken, som beskriver, hvordan verden opfører sig, når man zoomer ind på de allermindste bestanddele.

At forene kvantefysikken med Einsteins teorier om tyngdekraften er i øjeblikket et af de største mål for fysikere.

Teorien om alting

»Vi vil virkelig gerne få en forståelse af, hvordan tyngdekraften virker. Hvorfor kan Jorden holde fast i Månen, når den er så langt væk? Hvad består tyngdekraften af - er der udveksling af partikler, eller hvordan fungerer det? Det er et spørgsmål, som mange fysikere filosoferer over,« siger Marianne Vestergaard.

Hun påpeger, at en større forståelse af tyngdekraften måske kan hjælpe fysikerne til at få opfyldt et andet hedt ønske: Nemlig at få bragt en teori på banen, der kan forene alle naturkræfter.

En sådan samlet beskrivelse af naturkræfterne er også kendt som teorien om alting - læs mere i denne artikel.

\ Læs mere

Sorte huller: Her er alt, du skal vide

\ Læs mere

Galaksehobe blåstempler Einsteins Relativitetsteori