W centrum galaktyki Drogi Mlecznej, blisko 26 000 lat świetlnych stąd, gromada gwiazd krąży w pobliżu supermasywnej czarnej dziury znanej jako Strzelec A *. Gdy te kilkadziesiąt gwiazd, zwanych gwiazdami S, zbliżają się do czarnej dziury - która jest około cztery miliony razy masywniejsza od Słońca - jej ogromna siła grawitacji rozprasza je z prędkością około 16 milionów mil na godzinę. W rzeczywistości przyciąganie grawitacyjne Strzelca A * jest tak intensywne, że wypacza światło z tych gwiazd, gdy oddalają się zbyt blisko, rozciągając długości fal w kierunku czerwonej części spektrum elektromagnetycznego.
W szczególności jedna gwiazda, S0-2, jest tak blisko Strzelca A *, że astronomowie odkryli, że jest to jedno z najlepszych naturalnych laboratoriów do testowania granic naszej podstawowej teorii grawitacji: ogólnej teorii względności Einsteina.
Przez ponad dwie dekady astrofizycy śledzili ruchy S0-2, aby lepiej zrozumieć działanie grawitacji i przetestować teorię Einsteina. Poprzez obrazowanie pozycji gwiazdy i pomiar spektrum jej światła naukowcy mają nadzieję ustalić, czy orbita S0-2 wokół czarnej dziury pasuje do ścieżki przewidywanej przez ogólną teorię względności. W badaniu opublikowanym dzisiaj w Science międzynarodowy zespół astronomów donosi, że zachowanie gwiazdy zgadza się z teorią grawitacji Einsteina, potwierdzając, że ogólna teoria względności nadal utrzymuje się w regionie otaczającym supermasywną czarną dziurę - przynajmniej na razie.
„Chcesz przetestować teorię tak ekstremalnie, jak to tylko możliwe w środowisku… aby zasadniczo popchnąć teorię mocniej niż to, co moglibyśmy przewidzieć”, mówi Tuan Do, naukowiec z UCLA specjalizujący się w centrum galaktycznym i główny autor badania .
Obraz orbit gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Podświetlona jest orbita gwiazdy S0-2. Jest to pierwsza gwiazda, która ma wystarczającą liczbę pomiarów, aby przetestować ogólną teorię względności Einsteina wokół supermasywnej czarnej dziury. (Keck / UCLA Galactic Center Group) Ogólna teoria względności Einsteina opisuje trzy wymiary przestrzeni i jeden wymiar czasu jako nieodłącznie związane w „materiale” czasoprzestrzeni. Masywne obiekty, takie jak gwiazdy i czarne dziury, wypaczają ten materiał, aby rozciągać odległości i spowalniać czas, przyciągając otaczające obiekty w ich kierunku. Ten efekt postrzegamy jako grawitację - jabłko spadające z drzewa. Ale na światło wpływają również siły grawitacji, zginające się podczas przemieszczania się przez wypaczoną czasoprzestrzeń wokół masywnego obiektu.
Zgodnie z ogólną teorią względności, supermasywne czarne dziury, takie jak Strzelec A *, tworzą dużą krzywą czasoprzestrzeni, wytwarzając ekstremalnie silne pole grawitacyjne. Kiedy gwiazda zbliża się do takiej czarnej dziury, fotony emitowanego światła są wciągane w pole, a światło, które ucieka i dociera na Ziemię, musi wydostać się ze studni grawitacyjnej czarnej dziury. W rezultacie obserwowane światło ma niższą energię - niższą częstotliwość i dłuższą długość fali - co powoduje powstanie widma bardziej czerwonego. Naukowcy porównują ogólne prognozy względności tego efektu, zwane przesunięciem grawitacyjnym, do zmierzonych długości fal nadchodzącego światła z gwiazd takich jak S0-2, aby sprawdzić, czy teoria jest prawdziwa.
Jednak na przesunięcie ku czerwieni może wpływać wiele czynników innych niż grawitacja, w tym jeśli obiekt się oddala lub zbliża do obserwatora. „Sednem pytania jest w zasadzie to, czy możesz zmierzyć te wszystkie inne efekty wystarczająco dobrze, abyś mógł śmiało powiedzieć, że to, co widzisz, to przesunięcie grawitacyjne, a nie tylko inny sposób, w jaki możesz w zasadzie dostosować orbitę gwiazda ”- mówi Do.
S0-2 okrąża Strzelca A * co 16 lat. W maju 2018 r. Dotarł do najbliższego punktu czarnej dziury, znajdując się w promieniu 120 jednostek astronomicznych (nieco ponad 11 miliardów mil) i podróżując z prędkością nieco poniżej trzech procent prędkości światła (około 18 milionów mil na godzinę). W tej chwili efekt przesunięcia ku czerwieni jest szczególnie zauważalny, ponieważ siła grawitacji Strzelca A * rośnie, gdy gwiazda się zbliża. W marcu i wrześniu tego samego roku gwiazda osiągnęła również punkty maksymalnej i minimalnej prędkości promieniowej, co oznacza, że porusza się najszybciej i najwolniej w stosunku do obserwatora na Ziemi. Sygnały przesunięcia ku czerwieni z tych trzech zdarzeń są kluczowe dla mapowania kształtu orbity gwiazdy, gdzie efekty grawitacji są najbardziej ekstremalne.
„Sygnał przesunięcia ku czerwieni jest najsilniejszy w punkcie najbliższego podejścia, ponieważ jest najbliżej czarnej dziury, ale nie jest to najłatwiejszy do zmierzenia, ponieważ tym, na co jesteśmy naprawdę wrażliwi… są zmiany prędkości względnej, więc chcesz go złapać po rosnącej i malejącej stronie tego sygnału ”- mówi Do.
Gdy gwiazda S0-2 zbliża się do czarnej dziury w centrum naszej galaktyki, jej światło rozciąga się na bardziej czerwone części widma elektromagnetycznego, zjawisko przewidywane przez ogólną teorię względności Einsteina. (Nicole R. Fuller / National Science Foundation) Supermasywne czarne dziury to zagadkowe place zabaw do testowania fizyki, ponieważ nie pasują do dzisiejszych dominujących teorii. „Czarne dziury są zarówno bardzo masywne, jak i niezwykle kompaktowe, więc jest to rodzaj kolizji ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową”, mówi Do. Podczas gdy mechanika kwantowa opisuje najmniejsze cząstki w naszym wszechświecie - królestwo, w którym grawitację można zwykle zignorować - ogólna teoria względności dotyczy masywnych obiektów o ogromnych polach grawitacyjnych. Niektórzy fizycy spodziewają się, że te dwie teorie dojdą do sedna w samym środku czarnej dziury, gdzie uważa się, że ogromna masa zawarta jest w nieskończenie małej objętości, punkcie zwanym osobliwością grawitacyjną.
„Prawie wszystkie próby zrozumienia grawitacji na poziomie kwantowym i zrozumienia jej dopasowania do innych sił natury wydają się sugerować, że ogólna teoria względności jest niekompletna i musi się w jakiś sposób załamać lub odejść, a silna grawitacja jest tam, gdzie to się stanie. ”- powiedział w e-mailu Clifford Johnson, fizyk teoretyczny z University of Southern California, który nie był zaangażowany w badanie. „Sąsiedztwo czarnych dziur, zarówno dużych, jak i małych, staje się coraz bardziej areną obserwacyjną dla silnej grawitacji… gdzie mamy szansę zobaczyć, gdzie załamuje się ogólna teoria względności, [a] jeśli tak, prawdopodobnie ujawnia fizykę naszego wszechświata, i więcej o naturze przestrzeni i czasu. ”
Zespół badawczy wykorzystał połączenie obrazowania teleskopowego i spektroskopii do mapowania orbity S0-2. Ponieważ atmosfera wokół Ziemi zawsze się porusza, rozmywając nasz widok na niebo, polegali na adaptacyjnej optyce i technice zwanej obrazowaniem plamkowym, aby uchwycić wyraźny obraz - w zasadzie użyli elastycznego lustra, wypaczonego tysiące razy na sekundę przez siłowniki, i robiłem zdjęcia nieba, aby skorygować rozmycie atmosferyczne.
„Atmosfera Ziemi jest świetna dla ludzi, ale niekorzystna dla astronomii. ... To jak patrzenie na kamyk pod rzeką, a ty próbujesz zmierzyć pozycję kamyka. ”Do mówi. „Zasadniczo staramy się usunąć migotanie gwiazd.”
Lasery z dwóch teleskopów Keck rozprzestrzeniają się w kierunku centrum galaktyki. Każdy laser tworzy sztuczną gwiazdę, której można użyć do skorygowania rozmycia spowodowanego atmosferą ziemską. (Ethan Tweedie) Naukowcy prześledzili orbitę dla S0-2 i porównali ją z przewidywaniami z ogólnego modelu względności i prostszego modelu fizyki newtonowskiej. Zespół odkrył, że gwiazda porusza się o prawie 450 tysięcy mil na godzinę szybciej niż przewidywała grawitacja Newtona, a ogólny model względności miał 43 tysiące razy większe prawdopodobieństwo wyjaśnienia swoich obserwacji.
„Ogólna teoria względności Einsteina po raz kolejny dowodzi słuszności w zakresie dokładności pomiarów” - mówi Nikodem Popławski, matematyk i fizyk z University of New Haven, który nie był zaangażowany w nowe badanie. Zwraca także uwagę, że wyniki potwierdzają istnienie czarnych dziur zgodnie z ogólną teorią względności. „Oprócz tego, co zaobserwowano w kwietniu przy pierwszym zdjęciu czarnej dziury, teraz mamy tutaj więcej dowodów na to, że to, co znajduje się w naszej Drodze Mlecznej, jest supermasywną czarną dziurą”.
Podobne prace zgłoszone w ubiegłym roku również twierdziły, że orbita S0-2 była zgodna z ogólnymi przewidywaniami względności. Jednak te nowe wyniki stanowią dodatkowy dowód z dodatkowych trzech miesięcy danych zebranych, gdy gwiazda znajdowała się najbliżej Strzelca A *, a sygnał przesunięcia ku czerwieni był najsilniejszy, w tym kluczowe trzecie wydarzenie orbitalne we wrześniu ubiegłego roku.
„Możliwość zmierzenia ogólnej teorii względności w centrum galaktyki istnieje już od dekady”, mówi Do. „Powiedzieć, że w końcu możemy to zrobić - to dla mnie oznacza początek ery jeszcze większej liczby prób grawitacji wokół centrum galaktyki i otwiera wiele możliwości dla nauki o supermasywnej czarnej dziurze”. zespół badawczy będzie nadal śledził ruchy gwiazd S, badając głębiej tajemnice czarnych dziur i fizyki rządzącej naszym wszechświatem.
