우리은하 미리내의 블랙홀 인근에서 일반상대성이론을 검증하다.

Credit:ESO/M. Kornmesser

사진 1> 이 상상화는 미리내 중심에 자리잡고 있는 초거대질량의 블랙홀에 가장 가까이 접근해 지나가는 S2의 경로를 묘사하고 있다.

이 별이 블랙홀에 가까이 다가갈수록 강력한 자기장이 별의 색깔을 붉은색으로 변화시키고 있다. 

이는 아인슈타인의 일반상대성이론에서 예견한 현상이다.

이 그림의 색깔과 대상의 크기는 개념의 명확화를 위해 과장되어 표현된 것이다.

 

ESO VLT를 이용한 관측에서 아인슈타인이 일반상대성이론에서 예견한 효과를 미리내 중심에 있는 초거대질량의 블랙홀 주변에 형성된 강력한 중력장을 통과하는 별의 움직임을 이용하여 처음으로 밝혀냈다.

오랫동안 기다려왔던 이번 연구 결과는 칠레에 위치한 ESO의 망원경들을 이용한 26년간의 관측에 있어 절정에 해당하는 성과라 할 수 있다.

 

지구로부터 가장 가까운 거리에 있는 초거대질량의 블랙홀은 26,000 광년 거리의 미리내 중심에 자리잡고 있다. 

이곳은 먼지를 머금고 있는 두꺼운 구름들에 의해 가려져 있다.

태양의 4백만 배에 달하는 질량을 가지고 있는 이 중력괴물은 그 주위를 빠르게 도는 일련의 별들이 감싸고 있다.

우리 은하 미리내에서 가장 강력한 중력장이 장악하고 있는 이 극단의 환경은 중력물리학을 탐사하는데 있어 최적의 장소이며 특히 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는데 있어서도 특별한 장소이다.

 

천문학자들은 2018년 5월, ESO VLT에 장착되어 있는 극단의 민감도를 가진 GRAVITY [1], SINFONI, NACO를 이용한 적외선 관측을 통해 이 블랙홀 주위를 대단히 가까운 거리로 통과하는 S2라는 이름의 별을 관찰하였다.

 

이 별이 블랙홀을 가장 가까운 거리로 통과할 때 거리는 200억 킬로미터이며 이 때 별의 속도는 시속 2,500만 킬로미터인데 이는 빛의 속도의 3퍼센트에 해당하는 속도이다.[2]

 

연구팀은 예전에 S2를 관측하는데 사용했던 여타 장비들과 함께 GRAVITY와 SINFONI를 이용하여 각각 측정한 이 별의 위치와 속도를 뉴턴의 중력이론 및 아인슈타인의 일반상대성이론을 비롯한 여러 중력이론에서 도출한 예측치와 비교하였다.

그 결과는 뉴턴의 이론과는 일치하지 않았지만 일반상대성이론의 예측치와는 훌륭하게 맞아떨어졌다.

 

극적인 정밀도를 자랑하는 이번 측정치는 막스플랑크 외계행성물리학 연구소의 라인하르트 겐젤(Reinhard Genzel)이 이끄는 국제협력연구팀에 의해 측정된 것이다. 

이번 연구는 파리천문대-PSL 및 그레노블 알프스 대학교, CNRS, 막스플랑크천문연구소 및 쾰른 대학교, 포르투갈 천체물리학 및 중력센터와 ESO가 함께 이뤄낸 것이다.

 

이번 관측 결과는 ESO의 여러 관측장비를 이용하여 미리내의 중심부를 관측해온 지난 26년간의 역사에 있어 정점을 찍는 결과라 할 수 있다. [3]

 

겐젤의 설명은 다음과 같다. 

"S2가 미리내 중심의 블랙홀 주위를 지근거리에서 통과하는 것을 관측한 것으로는 이번이 두 번째 관측입니다. 

우리는 지난 수 년 동안 이번 관측을 강도높게 준비해왔습니다. 

일반상대성이론에서 예측한 효과를 관측할 수 있는 가장 독보적인 기회를 만들기를 원했죠."

 

이번에 측정된 자료들은 중력적색편이라 부르는 효과를 명쾌하게 드러내주고 있다.

별로부터 나오는 빛은 블랙홀에 의해 생성된 강력한 중력장에 의해 파장이 좀더 길게 늘어난다.

 

S2로부터 뿜어져나오는 빛의 파장 변화는 일반상대성이론에서 예측한 것과 정확하게 맞아떨어졌다.

이번 측정은 초거대질량 블랙홀 주변을 움직이는 별을 관측하여 좀더 단순한 뉴턴의 중력이론에 입각한 예측치로부터 그 편차를 도출한 첫 사례이기도 하다.

 

연구팀은 SINFONI를 이용하여 지구로부터 가까워졌다가 멀어지기를 반복하는 S2의 속도를 측정하였다. 

그리고 VLT 간섭계에 장착된 GRAVITY로 S2의 위치변화를 대단히 정확하게 측정하였는데 이는 이 별의 공전궤도를 규명하기 위한 측정이었다.

무려 26,000 광년이나 떨어져 있음에도 GRAVITY는 블랙홀과 아주 가까운 거리를 통과하는 이 별의 움직임을 밝혀낼 수 있는 고해상도 사진들을 만들어냈다.

 

GRAVITY와  SINFONI 분광기의 수석연구원인 프랑크 아이센하우어(Frank Eisenhauer)의 설명은 다음과 같다.

"우리가 GRAVITY로 처음 S2를 관측한 것은 약 2년 전입니다. 

이때 이미 이곳이 블랙홀을 연구할 수 있는 최적의 실험실임을 알 수 있었죠. 

이 별이 블랙홀을 가까운 거리에서 통과하는 동안 우리는 대부분의 사진에서 블랙홀 주위를 두르고 있는 희미한 빛을 감지할 수 있었습니다. 

이 빛은 이 별의 궤도를 정확하게 볼 수 있게 해 주었죠. 

그리고 마침내 S2의 분광데이터에서 중력적색편이를 도출해낼 수 있었죠."

 

일반상대성이론의 방정식이 수립되고나서 백 년이 지난 지금 아인슈타인의 이론은 다시한번 그 사실이 입증되었는데 특히 이번은 아인슈타인이 가능할 것으로 기대했던 그 어느 실험조건보다도 극단적인 조건에서 입증된 것이다.

 

ESO 시스템엔지니어링부서의 책임자인 프랑수아즈 델플랑크(Francoise Delplancke)는 이번 관측의 의미를 다음과 같이 설명하였다. 

"이곳 태양계는 특정 상황에서 물리법칙을 테스트할 수 있는 유일한 곳입니다. 

이 물리법칙들이 매우 강력한 중력장에서도 여전히 유효하다는 것을 확인할 수 있는 매우 중요한 의미를 가지고 있죠."

 

앞으로도 지속될 관측은 또다른 상대론적 효과를 밝혀줄 것으로 기대되고 있는데 S2가 블랙홀로부터 멀어지면서 슈바르츠실트 세차(Schwarzschild precession)로 알려진 이 별의 공전궤도가 가지는 작은 변화양상이 바로 그것이다.

 

ESO의 책임자인 사비에르 바르콘(Xavier Barcons)의 소감은 다음과 같다. 

"ESO는 4반세기 동안 라인하르트 겐젤과 그의 연구팀 및 ESO 회원국들과 협력작업을 계속해오고 있습니다.

매우 정밀한 측정을 가능하게 하기 위한 독보적이고도 강력한 도구들을 개발하고 이를 VLT에 전개해내는 과정은 어마어마한 노력이 필요한 작업이죠.

오늘 발표된 성과는 이러한 인상적인 협력체계가 만들어낸 훌륭한 결과라고 할 수 있습니다."

 

 

Credit:ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

사진 2> 이 표는 미리내 중심에 자리잡고 있는 초거대질량의 블랙홀 주위를 도는 S2의 움직임을 보여주고 있다.

ESO의 망원경들과 관측장비를 활용하여 25년 이상에 걸친 관측을 통해 이 도표가 완성되었다.

이 별이 블랙홀 주위를 한 번 공전하는데는 16년이 소요되며 2018년 5월, 블랙홀로부터 가장 가까운 지점을 통과하였다.

블랙홀과 별의 실제 크기가 축척에 맞게 표현된 것은 아니다.

 

 

 

Credit:ESO/L. Calcada/spaceengine.org

사진 3> 이 그림은 미리내중심의 초거대질량 블랙홀 주위를 공전하는 별들의 궤도를 보여주고 있다.

이 별들 중 하나인 S2는 매 16년마다 블랙홀을 공전하고 있으며 2018년 5월 블랙홀로부터 가장 가까운 거리를 통과하였다.

이러한 현상은 이곳을 중력물리학을 연구하는데 있어 완벽한 연구소로 만들어주고 있는데 특히 아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는데 있어 완벽한 장소가 되어주고 있다.

 

 

 

Credit:ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

사진 4> 이 표는 미리내 중심의 초거대질량의 블랙홀을 가장 가까이에서 통과할 당시의 S2의 움직임을 보여주고 있다.

이 표는 VLT 간섭계에 장착된 GRAVITY의 관측결과로부터 도출된 것이다.

이 지점에서 별의 속도는 빛의 속도의 3%에 육박했으며 그 위치 변화는 매일밤 확인이 가능했다.

블랙홀과 별의 실제 크기가 축척에 맞게 표현된 것은 아니다. 

 

 

Credit:ESO/GALAXY Collaboration

사진 5> VLT 간섭계에 장착된 GRAVITY는 미리내중심에 자리잡은 초거대질량의 블랙홀에 S2가 가장 가깝게 다가갈 때 그 움직임을 추적했다.

이 사진은 2018년 5월, S2가 블랙홀에 가장 가깝게 다가가기 직전의 모습이다.

 

 

Credit:ESO/MPE

사진 6> 이 사진은 ESO VLT에 장착된 NACO를 이용하여 미리내중심에 자리잡은 초거대질량의 블랙홀 주위를 공전하는 수많은 별들의 움직임을 20여 년간에 걸쳐 촬영한 수백장의 사진 중 하나이다.

 

 

각주 

[1] GRAVITY는 다음의 기관들이 협조하여 개발하였다. 

막스플랑크 외계행성물리학 연구소(the Max Planck Institutes for Extraterrestrial Physics, MPE), 파리 레시아 천문대(LESIA of Paris Observatory)  /CNRS / 소르본 대학 / 파리 디드로 대학 및 그레노블 알프스 대학교 IPAG / CNRS 프랑스, 막스클랑크 천문 연구소(the Max Planck Institutes for Astronomy, MPIA), 쾰른 대학교(University of Cologne), 포르투갈 천체물리학 및 중력 센터, 유럽남부천문대 (ESO).

      

[2] S2는 높은 이심율을 가진 궤도로 매 16년마다 블랙홀 주위를 공전하고 있다. 

S2는 이심율이 높은 궤도로 인해 블랙홀에서 200억 킬로미터 이내거리까지 접근할 수 있게 되는데 이 별이 블랙홀에 가장 가깝게 접근했을 때의 거리는 지구와 태양 거리의 120배, 태양과 해왕성 거리의 고작 4배 밖에 되지 않는다. 

이 거리는 블랙홀이 가지는 슈바르츠실트 반지름의 약 1500배이다.

 

[3] 미리내 중심부에 대한 관측은 반드시 적외선과 같은 장파장에서 이뤄져야 한다. 

지구와 이 지역 사이에는 수많은 먼지구름들이 위치하고, 중심 지역은 가시광선을 강력하게 빨아들이고 있기 때문이다.

 

출처 : 유럽남부천문대(European Southern Observatory) Science Release  2018년 7월 26일자 

        https://www.eso.org/public/news/eso1825/

         

참고 : S2를 비롯한 각종 별들에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다. 
        https://big-crunch.tistory.com/12346972

       

 

원문>

eso1825 — Science Release

First Successful Test of Einstein’s General Relativity Near Supermassive Black Hole

Culmination of 26 years of ESO observations of the heart of the Milky Way

26 July 2018

 

Observations made with ESO’s Very Large Telescope have for the first time revealed the effects predicted by Einstein’s general relativity on the motion of a star passing through the extreme gravitational field near the supermassive black hole in the centre of the Milky Way. This long-sought result represents the climax of a 26-year-long observation campaign using ESO’s telescopes in Chile.

Obscured by thick clouds of absorbing dust, the closest supermassive black hole to the Earth lies 26 000 light-years away at the centre of the Milky Way. This gravitational monster, which has a mass four million times that of the Sun, is surrounded by a small group of stars orbiting around it at high speed. This extreme environment — the strongest gravitational field in our galaxy — makes it the perfect place to explore gravitational physics, and particularly to test Einstein’s general theory of relativity.

New infrared observations from the exquisitely sensitive GRAVITY [1], SINFONI and NACO instruments on ESO’s Very Large Telescope (VLT) have now allowed astronomers to follow one of these stars, called S2, as it passed very close to the black hole during May 2018. At the closest point this star was at a distance of less than 20 billion kilometres from the black hole and moving at a speed in excess of 25 million kilometres per hour — almost three percent of the speed of light [2].

The team compared the position and velocity measurements from GRAVITY and SINFONI respectively, along with previous observations of S2 using other instruments, with the predictions of Newtonian gravity, general relativity and other theories of gravity. The new results are inconsistent with Newtonian predictions and in excellent agreement with the predictions of general relativity.

These extremely precise measurements were made by an international team led by Reinhard Genzel of the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) in Garching, Germany, in conjunction with collaborators around the world, at the Paris Observatory–PSL, the Université Grenoble Alpes, CNRS, the Max Planck Institute for Astronomy, the University of Cologne, the Portuguese CENTRA – Centro de Astrofisica e Gravitação and ESO. The observations are the culmination of a 26-year series of ever-more-precise observations of the centre of the Milky Way using ESO instruments [3].

“This is the second time that we have observed the close passage of S2 around the black hole in our galactic centre. But this time, because of much improved instrumentation, we were able to observe the star with unprecedented resolution,” explains Genzel. “We have been preparing intensely for this event over several years, as we wanted to make the most of this unique opportunity to observe general relativistic effects.”

The new measurements clearly reveal an effect called gravitational redshift. Light from the star is stretched to longer wavelengths by the very strong gravitational field of the black hole. And the change in the wavelength of light from S2 agrees precisely with that predicted by Einstein’s theory of general relativity. This is the first time that this deviation from the predictions of the simpler Newtonian theory of gravity has been observed in the motion of a star around a supermassive black hole.

The team used SINFONI to measure the velocity of S2 towards and away from Earth and the GRAVITY instrument in the VLT Interferometer (VLTI) to make extraordinarily precise measurements of the changing position of S2 in order to define the shape of its orbit. GRAVITY creates such sharp images that it can reveal the motion of the star from night to night as it passes close to the black hole — 26 000 light-years from Earth.

“Our first observations of S2 with GRAVITY, about two years ago, already showed that we would have the ideal black hole laboratory,” adds Frank Eisenhauer (MPE), Principal Investigator of GRAVITY and the SINFONI spectrograph. “During the close passage, we could even detect the faint glow around the black hole on most of the images, which allowed us to precisely follow the star on its orbit, ultimately leading to the detection of the gravitational redshift in the spectrum of S2.”

More than one hundred years after he published his paper setting out the equations of general relativity, Einstein has been proved right once more — in a much more extreme laboratory than he could have possibly imagined!

Françoise Delplancke, head of the System Engineering Department at ESO, explains the significance of the observations: “Here in the Solar System we can only test the laws of physics now and under certain circumstances. So it’s very important in astronomy to also check that those laws are still valid where the gravitational fields are very much stronger.”

Continuing observations are expected to reveal another relativistic effect very soon — a small rotation of the star’s orbit, known as Schwarzschild precession — as S2 moves away from the black hole.

Xavier Barcons, ESO’s Director General, concludes: “ESO has worked with Reinhard Genzel and his team and collaborators in the ESO Member States for over a quarter of a century. It was a huge challenge to develop the uniquely powerful instruments needed to make these very delicate measurements and to deploy them at the VLT in Paranal. The discovery announced today is the very exciting result of a remarkable partnership.”

Notes

[1] GRAVITY was developed by a collaboration consisting of the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (Germany), LESIA of Paris Observatory–PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot and IPAG of Université Grenoble Alpes / CNRS (France), the Max Planck Institute for Astronomy (Germany), the University of Cologne (Germany), the CENTRA–Centro de Astrofisica e Gravitação (Portugal) and ESO.

[2] S2 orbits the black hole every 16 years in a highly eccentric orbit that brings it within twenty billion kilometres — 120 times the distance from Earth to the Sun, or about four times the distance from the Sun to Neptune — at its closest approach to the black hole. This distance corresponds to about 1500 times the Schwarzschild radius of the black hole itself.

[3] Observations of the centre of the Milky Way must be made at longer wavelengths (in this case infrared) as the clouds of dust between the Earth and the central region strongly absorb visible light.

More information

This research was presented in a paper entitled “Detection of the Gravitational Redshift in the Orbit of the Star S2 near the Galactic Centre Massive Black Hole“, by the GRAVITY Collaboration, to appear in the journal Astronomy & Astrophysics on 26 July 2018.

The GRAVITY Collaboration team is composed of: R. Abuter (ESO, Garching, Germany), A. Amorim (Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal), N. Anugu (Universidade do Porto, Porto, Portugal), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany [MPE]), M. Benisty (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, France [IPAG]), J.P. Berger (IPAG; ESO, Garching, Germany), N. Blind (Observatoire de Genève, Université de Genève, Versoix, Switzerland), H. Bonnet (ESO, Garching, Germany), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany [MPIA]), A. Buron (MPE), C. Collin (LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, Univ. Paris Diderot, Meudon, France [LESIA]), F. Chapron (LESIA), Y. Clénet (LESIA), V. Coudé du Foresto (LESIA), P. T. de Zeeuw (Sterrewacht Leiden, Leiden University, Leiden, The Netherlands; MPE), C. Deen (MPE), F. Delplancke-Ströbele (ESO, Garching, Germany), R. Dembet (ESO, Garching, Germany; LESIA), J. Dexter (MPE), G. Duvert (IPAG), A. Eckart (University of Cologne, Cologne, Germany; Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany), F. Eisenhauer (MPE), G. Finger (ESO, Garching, Germany), N.M. Förster Schreiber (MPE), P. Fédou (LESIA), P. Garcia (Universidade do Porto, Porto, Portugal), R. Garcia Lopez (MPIA), F. Gao (MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE; University of California, Berkeley, California, USA), S. Gillessen (MPE), P. Gordo (Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO, Santiago, Chile), M. Haug (ESO, Garching, Germany), F. Haußmann (MPE), Th. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (University of Cologne, Cologne, Germany), Z. Hubert (LESIA; MPIA), N. Hubin (ESO, Garching, Germany), A. Jimenez Rosales (MPE), L. Jochum (ESO, Garching, Germany), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO, Santiago, Chile), S. Kellner (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany), S. Kendrew (MPIA, ESA), P. Kervella (LESIA; MPIA), Y. Kok (MPE), M. Kulas (MPIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), B. Lazareff (IPAG), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), M. Lippa (MPE), R. Lenzen (MPIA), A. Mérand (ESO, Garching, Germany), E. Müller (ESO, Garching, Germany; MPIA), U. Neumann (MPIA), T. Ott (MPE), L. Palanca (ESO, Santiago, Chile), T. Paumard (LESIA), L. Pasquini (ESO, Garching, Germany), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (MPE), P.M. Plewa (MPE), S. Rabien (MPE), A. Ramírez (ESO, Chile), J. Ramos (MPIA), C. Rau (MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), R.-R. Rohloff (MPIA), G. Rousset (LESIA), J. Sanchez-Bermudez (ESO, Santiago, Chile; MPIA), S. Scheithauer (MPIA), M. Schöller (ESO, Garching, Germany), N. Schuler (ESO, Santiago, Chile), J. Spyromilio (ESO, Garching, Germany), O. Straub (LESIA), C. Straubmeier (University of Cologne, Cologne, Germany), E. Sturm (MPE), L.J. Tacconi (MPE), K.R.W. Tristram (ESO, Santiago, Chile), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Wank (University of Cologne, Cologne, Germany), I. Waisberg (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), M. Wiest (University of Cologne, Cologne, Germany), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Germany), S. Yazici (MPE; University of Cologne, Cologne, Germany), D. Ziegler (LESIA) and G. Zins (ESO, Santiago, Chile).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It has 15 Member States: Austria, Belgium, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile and with Australia as a strategic partner. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper in Astronomy & Astrophysics
• Preprint of paper in A&A
• Recording of press conference
• Photos of the VLT
• GRAVITY webpages at the Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
• MPE press release
• Successful first observations of the galactic centre with GRAVITY

Contacts

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