V središču galaksije Mlečna pot, blizu 26.000 svetlobnih let, je krog zvezd, ki kroži blizu supermasivne črne luknje, znane kot Strelec A *. Ko se teh nekaj deset zvezd, imenovanih S-zvezde, približajo črni luknji, ki je približno štiri milijone krat bolj masivna od sonca, jih njihova ogromna gravitacijska sila stisne okoli 16 milijonov milj na uro. V resnici je gravitacijski poteg Strelca A * tako intenziven, da seva svetloba teh zvezd, ko se oddaljijo preblizu, razteza valovne dolžine proti rdečemu delu elektromagnetnega spektra.
Zlasti ena zvezda, S0-2, se tako približa Strelcu A *, da so astronomi ugotovili, da gre za enega najboljših naravnih laboratorijev za preizkušanje meja naše temeljne teorije gravitacije: Einsteinove splošne relativnosti.
Že več kot dve desetletji astrofiziki spremljajo premike S0-2, da bi bolje razumeli delovanje gravitacije in preizkusili Einsteinovo teorijo. S snemanjem lege zvezde in merjenjem spektra njene svetlobe si raziskovalci upajo ugotoviti, ali se S0-2-ova orbita okoli črne luknje ujema s potjo, ki jo predvideva splošna relativnost. V današnji študiji, objavljeni v Science, mednarodna ekipa astronomov poroča, da se zvezdno vedenje strinja z Einsteinovo teorijo gravitacije, ki potrjuje, da splošna relativnost še vedno velja v regiji, ki obdaja supermasivno črno luknjo - vsaj za zdaj.
"Teorijo želite preizkusiti v čim bolj ekstremnem okolju, da bi v bistvu potisnili teorijo težje od tistega, kar smo morda predvidevali, " pravi Tuan Do, znanstvenik iz UCLA, specializiran za galaktični center in glavni avtor študije .
Slika orbite zvezd okoli supermasivne črne luknje v središču naše galaksije. Poudarjena je orbita zvezde S0-2. To je prva zvezda, ki ima dovolj meritev, da lahko preizkusi Einsteinovo splošno relativnost okoli supermasivne črne luknje. (Keck / UCLA Galactic Center Group) Einsteinova splošna teorija relativnosti opisuje tri dimenzije vesolja in eno dimenzijo časa, kot da so povezane v "tkanino" vesoljskega časa. Masivni predmeti, kot so zvezde in črne luknje, to tkanino prepletajo, da razteza razdalje in upočasni čas, in potegne okoliške predmete k sebi. Ta učinek dojemamo kot gravitacijo - jabolko, ki pade z drevesa. Toda na svetlobo vplivajo tudi gravitacijske sile, ki se upogibajo, ko se gibljejo skozi izkrivljeni vesoljski čas okoli masivnega predmeta.
Po splošni relativnosti supermasivne črne luknje, kot je Strelec A *, ustvarijo veliko krivuljo v vesolju in ustvarijo izjemno močno gravitacijsko polje. Ko se zvezda premakne blizu takšne črne luknje, se v polje vlečejo fotoni izpuščene svetlobe in svetloba, ki pobegne in se pripelje na Zemljo, se mora povzpeti iz gravitacijskega jamstva črne luknje. Rezultat tega je, da ima opazovana svetloba nižjo energijo - nižjo frekvenco in daljšo valovno dolžino - kar ustvarja rdeč spekter. Znanstveniki primerjajo napovedi splošne relativnosti tega učinka, imenovanega gravitacijski rdeči premik, z izmerjenimi valovnimi dolžinami dohodne svetlobe zvezd, kot je S0-2, da bi preverili, ali teorija drži.
Na rdečo premikanje lahko vplivajo številni drugi dejavniki, razen gravitacije, tudi če se kakšen predmet odmika ali opazovalec. "V bistvu vprašanja je, ali lahko vse te druge učinke izmerite dovolj dobro, da lahko samozavestno rečete, da je tisto, kar vidite, gravitacijski rdeči premik, in ne le kakšen drug način, kako lahko v osnovi prilagodite orbito zvezda, "pravi Do.
S0-2 kroži v Strelcu A * vsakih 16 let. Maja 2018 je dosegla svojo najbližjo točko do črne luknje, prišla je znotraj 120 astronomskih enot (nekaj več kot 11 milijard milj) in potovala z nekaj manj kot tremi odstotki hitrosti svetlobe (približno 18 milijonov milj na uro). V tem času je učinek rdečega premikanja še posebej opazen, saj se gravitacijski poteg Strelca A * krepi, ko se zvezda približa. Marca in septembra istega leta je zvezda dosegla tudi največjo in najmanjšo radialno hitrost, kar pomeni, da se giblje najhitreje in najpočasneje v primerjavi z opazovalcem na Zemlji. Signali rdečega premikanja iz teh treh dogodkov so ključni za preslikavo oblike orbite zvezde, kjer so učinki gravitacije najbolj ekstremni.
"Signal rdečega premikanja je najmočnejši na mestu najbližjega pristopa, ker je najbližje črni luknji, vendar ga ni najlažje izmeriti, ker tisto, na kar smo res občutljivi ..., so spremembe v relativni hitrosti, zato ga želite ujeti. na naraščajoči in padajoči strani tega signala, «pravi Do.
Ko se zvezda S0-2 bliža črni luknji v središču naše galaksije, se svetloba razteza v rdeče dele elektromagnetnega spektra, kar je napovedala Einsteinova splošna teorija relativnosti. (Nicole R. Fuller / Nacionalna znanstvena fundacija) Supermasivne črne luknje so zagonetna igrišča za preizkušanje fizike, saj se ne prilegajo lepo današnjim prevladujočim teorijam. "Črne luknje so zelo masivne in izjemno kompaktne, tako da se nekako srečujeta splošna relativnost in kvantna mehanika, " pravi Do. Medtem ko kvantna mehanika opisuje najmanjše delce v našem vesolju - področje, kjer se gravitacija običajno ne upošteva - splošna relativnost obravnava ogromne predmete, ki imajo ogromna gravitacijska polja. Nekateri fiziki pričakujejo, da bosta ti dve teoriji prišli do glave v samem središču črne luknje, kjer se misli, da je ogromna masa v neskončno majhnem volumnu, točki, znani kot gravitacijska singularnost.
"Zdi se, da skoraj vsi poskusi razumevanja gravitacije na kvantni ravni in razumevanje, kako se ujema z drugimi silami narave, kažejo, da je splošna relativnost nepopolna in se mora na nek način porušiti ali odstopiti, močna gravitacija pa je tam, kjer bi se to zgodilo, "Pravi Clifford Johnson, teoretični fizik z univerze v Južni Kaliforniji, ki ni bil vključen v študijo, v elektronskem sporočilu. "Soseska črnih lukenj, tako velikih kot majhnih, vedno bolj postaja opazovalno prizorišče močne gravitacije ... kjer imamo priložnost videti, kje se pokvari splošna relativnost, [in] če se zgodi, morda razkrije fiziko našega vesolja, in več o naravi prostora in časa. "
Raziskovalna skupina je uporabila kombinacijo slikanja s teleskopom in spektroskopije za preslikavo S0-2-ove orbite. Ker se ozračje okoli Zemlje nenehno giblje in zamegli naš pogled na nebo, so se za zajem jasne slike oprli na prilagodljivo optiko in tehniko, imenovano spekle slikanje - v bistvu so uporabljali prilagodljivo ogledalo, ki ga aktuatorji več tisočkrat na hitro zvijajo, in posneli posnetke neba, da bi popravili atmosfersko zameglitev.
"Zemljina atmosfera je odlična za ljudi, slaba pa za astronomijo. ... To je tako, kot če bi gledali kamenček pod reko in poskušali izmeriti položaj kamenčka. " "V bistvu poskušamo odstraniti utripajoče zvezde."
Laserji iz dveh teleskopov Keck so se širili v smeri galaktičnega središča. Vsak laser ustvari umetno zvezdo, ki se lahko uporablja za popravljanje zameglitve zaradi Zemljine atmosfere. (Ethan Tweedie) Raziskovalci so izsledili orbito za S0-2 in jo primerjali s napovedmi iz splošnega modela relativnosti in enostavnejšega modela Newtonove fizike. Skupina je ugotovila, da se je zvezda gibala skoraj 450 tisoč milj na uro hitreje od tistega, kar bi napovedovala njujtonska gravitacija, in da je splošni model relativnosti 43 tisočkrat pogosteje razložil njihova opažanja.
"Einsteinova splošna teorija relativnosti se znova izkaže za pravilno, v natančnosti meritev, " pravi Nikodem Poplawski, matematik in fizik z univerze v New Havenu, ki ni bil vključen v novo študijo. Poudarja tudi, da rezultati podpirajo obstoj črnih lukenj, kot jih opisuje splošna relativnost. "Poleg tega, kar smo opazili aprila s prvo sliko črne luknje, imamo zdaj še več dokazov, da je tisto, kar je znotraj naše Mlečne poti, supermasivna črna luknja."
Podobno delo, o katerem so poročali lani, je tudi trdilo, da je orbita S0-2 sledila napovedim splošne relativnosti. Vendar pa ti novi rezultati dodajo dodatne dokaze iz dodatnih treh mesecev podatkov, odvzetih, ko je bila zvezda najbližje Strelcu A * in je bil signal rdečega premika najmočnejši, vključno s ključnim tretjim orbitalnim dogodkom septembra lani.
"Možnost, da bi lahko merili splošno relativnost v galaktičnem središču, obstaja že desetletje, " pravi Do. "Če rečem, da končno lahko to storimo - to mi pomeni začetek obdobja še več preizkusov gravitacije okoli središča galaksije in odpira veliko poti za več znanosti okoli supermasivne črne luknje." Premik naprej, bo raziskovalna skupina nadaljevala s sledenjem gibanja zvezd S in preizkušala globlje v skrivnosti črnih lukenj in fizike, ki vladajo v našem vesolju.
