U središtu galaksije Mliječni put, udaljenoj gotovo 26 000 svjetlosnih godina, gomila zvijezda kruži blizu supermasivne crne rupe poznate kao Strijelac A *. Dok se tih nekoliko desetaka zvijezda, zvanih S-zvijezde, približavaju crnoj rupi - koja je oko četiri milijuna puta masivnija od sunca - njena ogromna gravitaciona sila povlači ih brže od 16 milijuna milja na sat. Zapravo, gravitacijsko povlačenje Strijelca A * je toliko intenzivno da upotrijebi svjetlost iz tih zvijezda kada se zalutaju preblizu, protežući valne duljine prema crvenom dijelu elektromagnetskog spektra.
Konkretno, jedna zvijezda, S0-2, toliko se približila Strijelcu A * da su astronomi otkrili da je to jedan od najboljih prirodnih laboratorija za ispitivanje granica naše temeljne teorije gravitacije: Einsteinova opća relativnost.
Više od dva desetljeća astrofizičari prate kretanja S0-2 kako bi bolje razumjeli djelovanja gravitacije i postavili Einsteinovu teoriju na testiranje. Zamišljanjem položaja zvijezde i mjerenjem spektra njezine svjetlosti, istraživači se nadaju da će utvrditi odgovara li S0-2 orbita oko crne rupe putu koji je predvidio opća relativnost. U studiji objavljenoj danas u časopisu Science, međunarodni tim astronoma izvijestio je da se ponašanje zvijezde slaže s Einsteinovom teorijom gravitacije, potvrđujući da opća relativnost još uvijek postoji u regiji koja okružuje supermasivnu crnu rupu - barem zasad.
"Želite testirati teoriju u ekstremnijem okruženju koliko možete ... da u osnovi potisnete teoriju jače od onoga što smo mogli predvidjeti", kaže Tuan Do, znanstvenik s UCLA-e, specijaliziran za galaktički centar i vodeći autor studije,
Slika orbite zvijezda oko supermasivne crne rupe u središtu naše galaksije. Istaknuta je orbita zvijezde S0-2. Ovo je prva zvijezda koja ima dovoljno mjerenja za testiranje Einsteinove Opće relativnosti oko supermasivne crne rupe. (Keck / UCLA Galactic Center Group) Einsteinova opća teorija relativnosti opisuje tri dimenzije prostora i jednu dimenziju vremena kao svojstveno povezane u „tkaninu“ prostora-vremena. Ogromni predmeti, poput zvijezda i crnih rupa, ovu tkaninu prekrivaju kako bi se protezali udaljenosti i usporavali, povlačeći okolne predmete prema njima. Ovaj efekt doživljavamo kao gravitaciju - jabuka koja pada sa stabla. Ali na svjetlost utječu i gravitacijske sile, savijajući se dok se kreće kroz iskrivljeni prostor tijekom masivnog predmeta.
Prema općoj relativnosti, supermasivne crne rupe poput Strijelca A * stvaraju veliku krivulju u prostornom vremenu, stvarajući izuzetno snažno gravitacijsko polje. Kad se zvijezda pomiče blizu takve crne rupe, fotoni emitirane svjetlosti se povlače u polje, a svjetlost koja pobjegne i dospijeva na Zemlju mora se izvući iz gravitacijskog bunara crne rupe. Rezultat toga je da promatrana svjetlost ima nižu energiju - nižu frekvenciju i veću valnu duljinu - stvarajući crveni spektar. Znanstvenici uspoređuju predviđanja opće relativnosti o ovom efektu, nazvanom gravitacijski crveni pomak, s izmjerenim valnim duljinama dolazne svjetlosti od zvijezda poput S0-2 kako bi testirali je li teorija istinita.
Niz drugih čimbenika osim gravitacije može utjecati na crveni pomak, uključujući ako se neki objekt odmiče ili prema promatraču. "Srce pitanja je, u osnovi, možete li dobro izmjeriti sve ove ostale efekte da sa sigurnošću možete reći da je ono što vidite gravitacijsko crveno pomicanje, a ne samo neki drugi način kako u osnovi možete prilagoditi orbitu orbite zvijezda ", kaže Do.
S0-2 orbitira Strijelca A * svakih 16 godina. U svibnju 2018. godine dosegla je najbližu točku do crne rupe, ulazeći unutar 120 astronomskih jedinica (nešto više od 11 milijardi milja) i putujući s malo manje od tri posto brzine svjetlosti (oko 18 milijuna milja na sat). U ovom je trenutku efekt crvenog pomaka posebno izražen jer gravitacijski potez Strijelca A * postaje jači kad se zvijezda približi. U ožujku i rujnu iste godine, zvijezda je dosegla i svoje maksimalne i minimalne radijalne brzine, što znači da se kretala najbrže i najsporije u odnosu na promatrača na Zemlji. Signali crvenog pomaka s ova tri događaja ključni su za mapiranje oblika orbite zvijezde u kojoj su učinci gravitacije najekstremniji.
„Crveni pomak signal je najjači u trenutku najbližeg pristupa jer je najbliži crnoj rupi, ali to nije mjesto gdje je najlakše izmjeriti, jer ono na što smo stvarno osjetljivi… je promjena u relativnoj brzini, pa ga želite uhvatiti. na uzlaznoj i padajućoj strani ovog signala ", kaže Do.
Kako se zvijezda S0-2 bliži crnoj rupi u središtu naše galaksije, svjetlost se proteže u crvene dijelove elektromagnetskog spektra, fenomen koji je predvidjela Einsteinova opća teorija relativnosti. (Nicole R. Fuller / Nacionalna zaklada za znanost) Supermasivne crne rupe zbunjujuće su igrališta za testiranje fizike jer se ne uklapaju u današnje dominantne teorije. "Crne rupe su i vrlo masivne i vrlo kompaktne, pa se nekako sudaraju opća relativnost i kvantna mehanika", kaže Do. Dok kvantna mehanika opisuje najmanje čestice u našem svemiru - područje u kojem se gravitacija obično može zanemariti - opća relativnost se bavi ogromnim objektima koji imaju ogromna gravitaciona polja. Neki fizičari očekuju da će ove dvije teorije doći do glave u samom središtu crne rupe, gdje se smatra da se ogromna masa nalazi u beskonačno malom volumenu, točki poznatoj kao gravitaciona singularnost.
"Čini se da gotovo svi pokušaji razumijevanja gravitacije na kvantnoj razini i razumijevanje kako se uklapa u druge prirodne sile sugeriraju da je opća relativnost nepotpuna i da se mora raspasti ili odstupiti na neki način, a snažna gravitacija je mjesto na kojem bi se to dogodilo ", Kaže Clifford Johnson, teorijski fizičar sa Sveučilišta Južna Kalifornija koji nije bio uključen u studiju u e-poruci. "Susjed crnih rupa, i velikih i malih, sve više postaje promatračka arena za jaku gravitaciju ... gdje imamo priliku vidjeti gdje se opća relativnost raspada, [i] ako se dogodi, možda otkriva fiziku našeg svemira, i više o prirodi prostora i vremena. "
Istraživački tim koristio je kombinaciju snimanja teleskopa i spektroskopije za mapiranje S0-2-ove orbite. Budući da se atmosfera oko Zemlje stalno kreće, zamaglivši naš pogled na nebo, oslanjali su se na adaptivnu optiku i tehniku koja se naziva spekulacijsko snimanje za snimanje jasne slike - u biti su koristili fleksibilno ogledalo, pokretače tisuće puta u sekundi i snimili snimke neba kako bi ispravili atmosfersko zamagljivanje.
„Zemljina atmosfera je sjajna za ljude, ali loša za astronomiju. ... To je poput gledanja šljunka ispod rijeke i pokušavate izmjeriti položaj šljunka. "Do kaže. "U osnovi pokušavamo ukloniti svjetlucanje u zvijezdama."
Laseri iz dva Keckova teleskopa širili su se u smjeru galaktičkog središta. Svaki laser stvara umjetnu zvijezdu koja se može upotrijebiti za ispravljanje zamućenja zbog Zemljine atmosfere. (Ethan Tweedie) Istraživači su pratili orbitu za S0-2 i uspoređivali je s predviđanjima iz općeg modela relativnosti i jednostavnijeg newtonskog modela fizike. Tim je utvrdio da se zvijezda kretala gotovo 450 tisuća milja na sat brže od onoga što bi predviđala njujtonska gravitacija, te da je opći model relativnosti 43 tisuće puta vjerojatnije objasnio njihova opažanja.
"Einsteinova opća teorija relativnosti još jednom se pokazuje ispravnom, u točnosti mjerenja", kaže Nikodem Poplawski, matematičar i fizičar sa Sveučilišta u New Havenu koji nije bio uključen u novo istraživanje. Također ističe da rezultati podržavaju postojanje crnih rupa kako je opisano u općoj relativnosti. "Pored onoga što smo primijetili u travnju na prvoj slici crne rupe, sada imamo još dokaza da je ono što je unutar našeg Mliječnog puta supermasivna crna rupa."
Sličan rad prijavljen prošle godine također je tvrdio da je S0-2 orbita slijedila predviđanja opće relativnosti. Međutim, ovi novi rezultati dodaju dodatne dokaze iz dodatna tri mjeseca podataka uzetih kada je zvijezda bila najbliže Strijelcu A *, a signal crvenog pomaka bio je najjači, uključujući presudni treći orbitalni događaj u rujnu prošle godine.
"Mogućnost mjerenja opće relativnosti u galaktičkom centru postoji već desetak godina", kaže Do. "Reći da napokon možemo to učiniti - to mi znači početak ere još većih testova gravitacije oko središta galaksije i otvara puno puteva za više znanosti oko supermasivne crne rupe." Krećući se naprijed, istraživački tim će nastaviti pratiti kretanje S-zvijezda, istražujući dublje u tajne crnih rupa i fiziku koja upravlja našim svemirom.
