The highly elliptical, 16-year-period orbit of the star S2 around the massive black hole candidate Sgr A ✻ is a sensitive probe of the gravitational field in the Galactic centre. Near pericentre at 120 AU ≈ 1400 Schwarzschild radii, the star has an orbital speed of ≈7650 km s −1 , such that the first-order effects of Special and General Relativity have now become detectable with current capabilities. Over the past 26 years, we have monitored the radial velocity and motion on the sky of S2, mainly with the SINFONI and NACO adaptive optics instruments on the ESO Very Large Telescope, and since 2016 and leading up to the pericentre approach in May 2018, with the four-telescope interferometric beam-combiner instrument GRAVITY. From data up to and including pericentre, we robustly detect the combined gravitational redshift and relativistic transverse Doppler effect for S2 of z = Δ λ / λ ≈ 200 km s −1 / c with different statistical analysis methods. When parameterising the post-Newtonian contribution from these effects by a factor f , with f = 0 and f = 1 corresponding to the Newtonian and general relativistic limits, respectively, we find from posterior fitting with different weighting schemes f = 0.90 ± 0.09| stat ± 0.15| sys . The S2 data are inconsistent with pure Newtonian dynamics.

GRAVITY is a new instrument to coherently combine the light of the European Southern Observatory Very Large Telescope Interferometer to form a telescope with an equivalent 130 m diameter angular resolution and a collecting area of 200 m 2 . The instrument comprises fiber fed integrated optics beam combination, high resolution spectroscopy, built-in beam analysis and control, near-infrared wavefront sensing, phase-tracking, dual-beam operation, and laser metrology. GRAVITY opens up to optical/infrared interferometry the techniques of phase referenced imaging and narrow angle astrometry, in many aspects following the concepts of radio interferometry. This article gives an overview of GRAVITY and reports on the performance and the first astronomical observations during commissioning in 2015/16. We demonstrate phase-tracking on stars as faint as m K ≈ 10 mag, phase-referenced interferometry of objects fainter than m K ≈ 15 mag with a limiting magnitude of m K ≈ 17 mag, minute long coherent integrations, a visibility accuracy of better than 0.25%, and spectro-differential phase and closure phase accuracy better than 0.5°, corresponding to a differential astrometric precision of better than ten microarcseconds ( μ as). The dual-beam astrometry, measuring the phase difference of two objects with laser metrology, is still under commissioning. First observations show residuals as low as 50 μ as when following objects over several months. We illustrate the instrument performance with the observations of archetypical objects for the different instrument modes. Examples include the Galactic center supermassive black hole and its fast orbiting star S2 for phase referenced dual-beam observations and infrared wavefront sensing, the high mass X-ray binary BP Cru and the active galactic nucleus of PDS 456 for a few μ as spectro-differential astrometry, the T Tauri star S CrA for a spectro-differential visibility analysis, ξ Tel and 24 Cap for high accuracy visibility observations, and η Car for interferometric imaging with GRAVITY.

The star S2 orbiting the compact radio source Sgr A* is a precision probe of the gravitational field around the closest massive black hole (candidate). Over the last 2.7 decades we have monitored the star’s radial velocity and motion on the sky, mainly with the SINFONI and NACO adaptive optics (AO) instruments on the ESO VLT, and since 2017, with the four-telescope interferometric beam combiner instrument GRAVITY. In this Letter we report the first detection of the General Relativity (GR) Schwarzschild Precession (SP) in S2’s orbit. Owing to its highly elliptical orbit ( e = 0.88), S2’s SP is mainly a kink between the pre-and post-pericentre directions of motion ≈±1 year around pericentre passage, relative to the corresponding Kepler orbit. The superb 2017−2019 astrometry of GRAVITY defines the pericentre passage and outgoing direction. The incoming direction is anchored by 118 NACO-AO measurements of S2’s position in the infrared reference frame, with an additional 75 direct measurements of the S2-Sgr A* separation during bright states (“flares”) of Sgr A*. Our 14-parameter model fits for the distance, central mass, the position and motion of the reference frame of the AO astrometry relative to the mass, the six parameters of the orbit, as well as a dimensionless parameter f SP for the SP ( f SP = 0 for Newton and 1 for GR). From data up to the end of 2019 we robustly detect the SP of S2, δ ϕ ≈ 12′ per orbital period. From posterior fitting and MCMC Bayesian analysis with different weighting schemes and bootstrapping we find f SP = 1.10 ± 0.19. The S2 data are fully consistent with GR. Any extended mass inside S2’s orbit cannot exceed ≈0.1% of the central mass. Any compact third mass inside the central arcsecond must be less than about 1000 M ⊙ .

The Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO) instrument is a multipurpose high-contrast imaging platform designed for the discovery and detailed characterization of exoplanetary systems and serves as a testbed for high-contrast imaging technologies for ELTs. It is a multiband instrument which makes use of light from 600 to 2500 nm, allowing for coronagraphic direct exoplanet imaging of the inner 3λ/D from the stellar host. Wavefront sensing and control are key to the operation of SCExAO. A partial correction of low-order modes is provided by Subaru's facility adaptive optics system with the final correction, including high-order modes, implemented downstream by a combination of a visible pyramid wavefront sensor and a 2000-element deformable mirror. The well-corrected NIR (y-K bands) wavefronts can then be injected into any of the available coronagraphs, including but not limited to the phase-induced amplitude apodization and the vector vortex coronagraphs, both of which offer an inner working angle as low as 1λ/D. Noncommon path, low-order aberrations are sensed with a coronagraphic low-order wavefront sensor in the infrared (IR). Low noise, high frame rate NIR detectors allow for active speckle nulling and coherent differential imaging, while the HAWAII 2RG detector in the HiCIAO imager and/or the CHARIS integral field spectrograph (from mid-2016) can take deeper exposures and/or perform angular, spectral, and polarimetric differential imaging. Science in the visible is provided by two interferometric modules: VAMPIRES and FIRST, which enable subdiffraction limited imaging in the visible region with polarimetric and spectroscopic capabilities respectively. We describe the instrument in detail and present preliminary results both on-sky and in the laboratory.

We report the detection of continuous positional and polarization changes of the compact source SgrA* in high states ('flares') of its variable near- infrared emission with the near-infrared GRAVITY-Very Large Telescope Interferometer (VLTI) beam-combining instrument. In three prominent bright flares, the position centroids exhibit clockwise looped motion on the sky, on scales of typically 150 micro-arcseconds over a few tens of minutes, corresponding to about 30% the speed of light. At the same time, the flares exhibit continuous rotation of the polarization angle, with about the same 45(+/-15)-minute period as that of the centroid motions. Modelling with relativistic ray tracing shows that these findings are all consistent with a near face-on, circular orbit of a compact polarized 'hot spot' of infrared synchrotron emission at approximately six to ten times the gravitational radius of a black hole of 4 million solar masses. This corresponds to the region just outside the innermost, stable, prograde circular orbit (ISCO) of a Schwarzschild-Kerr black hole, or near the retrograde ISCO of a highly spun-up Kerr hole. The polarization signature is consistent with orbital motion in a strong poloidal magnetic field.

We present new observations of the nuclear star cluster in the central parsec of the Galaxy with the adaptive optics assisted, integral field spectrograph SINFONI on the ESO/VLT. Our work allows the spectroscopic detection of early- and late-type stars to mK ⩾ 16, more than 2 mag deeper than our previous data sets. Our observations result in a total sample of 177 bona fide early-type stars. We find that most of these Wolf Rayet (WR), O-, and B-stars reside in two strongly warped disks between 08 and 12'' from Sgr A*, as well as a central compact concentration (the S-star cluster) centered on Sgr A*. The later type B-stars (mK>15) in the radial interval between 08 and 12'' seem to be in a more isotropic distribution outside the disks. The observed dearth of late-type stars in the central few arcseconds is puzzling, even when allowing for stellar collisions. The stellar mass function of the disk stars is extremely top heavy with a best-fit power law of dN/dm ∝ m−0.45± 0.3. WR/O-stars were formed in situ in a single star formation event ∼6 Myr ago, this mass function probably reflects the initial mass function (IMF). The mass functions of the S-stars inside 08 and of the early-type stars at distances beyond 12'' are compatible with a standard Salpeter/Kroupa IMF (best-fit power law of dN/dm ∝ m−2.15± 0.3).

We present a 0.16% precise and 0.27% accurate determination of R0, the distance to the Galactic Center. Our measurement uses the star S2 on its 16-year orbit around the massive black hole Sgr A* that we followed astrometrically and spectroscopically for 27 years. Since 2017, we added near-infrared interferometry with the VLTI beam combiner GRAVITY, yielding a direct measurement of the separation vector between S2 and Sgr A* with an accuracy as good as 20 micro-arcsec in the best cases. S2 passed the pericenter of its highly eccentric orbit in May 2018, and we followed the passage with dense sampling throughout the year. Together with our spectroscopy, in the best cases with an error of 7 km/s, this yields a geometric distance estimate: R0 = 8178 +- 13(stat.) +- 22(sys.) pc. This work updates our previous publication in which we reported the first detection of the gravitational redshift in the S2 data. The redshift term is now detected with a significance level of 20 sigma with f_redshift = 1.04 +- 0.05.

Precise mass constraints are vital for the characterisation of brown dwarfs and exoplanets. Here we present how the combination of data obtained by Gaia and GRAVITY can help enlarge the sample of substellar companions with measured dynamical masses. We show how the Non-Single-Star (NSS) two-body orbit catalogue contained in Gaia DR3 can be used to inform high-angular-resolution follow-up observations with GRAVITY. Applying the method presented in this work to eight Gaia candidate systems, we detect all eight predicted companions, seven of which were previously unknown and five are of a substellar nature. Among the sample is Gaia DR3 2728129004119806464 B, which -- detected at an angular separation of mas from the host -- is the closest substellar companion ever imaged. In combination with the system's distance and the orbital elements, this translates to a semi-major axis of AU . WT 766 B, detected at a greater angular separation, was confirmed to be on an orbit exhibiting an even smaller semi-major axis of AU . The GRAVITY data were then used to break the host-companion mass degeneracy inherent to the Gaia NSS orbit solutions as well as to constrain the orbital solutions of the respective target systems. Knowledge of the companion masses enabled us to further characterise them in terms of their ages, effective temperatures, and radii via the application of evolutionary models. The inferred ages exhibit a distinct bias towards values younger than what is to be expected based on the literature. The results serve as an independent validation of the orbital solutions published in the NSS two-body orbit catalogue and show that the combination of astrometric survey missions and high-angular-resolution direct imaging holds great promise for efficiently increasing the sample of directly imaged companions in the future, especially in the light of Gaia 's upcoming DR4 and the advent of GRAVITY+.