A Tejút galaxis közepén, közel 26 000 fényév távolságra egy csillagcsoport jön létre a Nyilas A * néven ismert szupermasszív fekete lyuk közelében. Mivel ez a néhány tucat S-csillagnak nevezett csillag megközelíti a fekete lyukat - amely körülbelül négymilliószor hatalmasabb, mint a nap - óriási gravitációs ereje rontja őket körülbelül 16 millió mérföld / óra sebességgel. Valójában a Nyilas A * gravitációs vonzása annyira intenzív, hogy megcsavarja a fényt e csillagoktól, amikor túlságosan közel állnak egymáshoz, és a hullámhosszokat az elektromágneses spektrum piros része felé nyújtják.
Különösen az egyik csillag, az S0-2, annyira megközelíti a Nyilas A * -ot, hogy a csillagászok azt találták, hogy az egyik legjobb természetes laboratórium az alapvető gravitációs elméletünk: Einstein általános relativitáselméleti határainak tesztelésére.
Az asztrofizikusok több mint két évtizede nyomon követik az S0-2 mozgását, hogy jobban megértsék a gravitáció működését, és Einstein elméletét próbára tegyék. A csillag helyzetének leképezésével és a fény spektrumának mérésével a kutatók remélik, hogy meghatározzák, hogy az S0-2 pályája a fekete lyuk körül megfelel-e az általános relativitáselmélet által megjósolt pályának. A Scienceben ma közzétett tanulmányban egy csillagászok egy nemzetközi csapata beszámolt arról, hogy a csillag viselkedése megegyezik Einstein gravitációs elméletével, megerősítve, hogy az általános relativitáselmélet továbbra is fennáll a szupermasszív fekete lyukot övező régióban - legalábbis egyelőre.
"Azt akarja, hogy az elméletet olyan szélsőségesen tesztelje, mint a környezetben, amennyit csak tudsz ... ahhoz, hogy az elméletet lényegesen erősebbé tegye, mint amire számíthattunk." - mondja Tuan Do, az UCLA galaktikus központra szakosodott kutatója és a tanulmány vezető szerzője. .
A csillagok körpályáinak képe a galaxisunk közepén lévő szupermasszív fekete lyuk körül. Kiemelve van az S0-2 csillag pályája. Ez az első csillag, amely elegendő méréssel rendelkezik Einstein általános relativitásának tesztelésére egy szupermasszív fekete lyuk körül. (Keck / UCLA Galaktikus Központ Csoport) Einstein általános relativitáselmélete a tér három dimenzióját és az idő egy dimenzióját írja le, mint amelyek a téridő „szövetébe” rejtettek. A hatalmas tárgyak, mint például a csillagok és a fekete lyukak, a textíliát elvonják, hogy meghosszabbítsák a távolságot és lassítsák az időt, és a környező tárgyakat feléjük húzzák. Ezt a hatást gravitációnak tekintjük - egy almának, amely leesik a fáról. A fényt azonban a gravitációs erők is befolyásolják, amelyek meghajolnak, amikor egy hatalmas tárgy körül mozog a hullámos téridőn.
Az általános relativitáselmélet szerint a szupermasszív fekete lyukak, mint például a Nyilas A *, űridőben nagy görbét hoznak létre, rendkívül erős gravitációs mezőt eredményezve. Amikor egy csillag egy ilyen fekete lyukhoz közel mozog, a kibocsátott fény fotonjai behúzódnak a mezõbe, és a fénnyel szemben távozó és a Föld felé jutó fénynek ki kell másznia a fekete lyuk gravitációs kútjából. Ennek eredményeként a megfigyelt fény energiája alacsonyabb - alacsonyabb frekvencia és hosszabb hullámhossz - vöröses spektrumot eredményez. A tudósok összehasonlítják az általános relativitáselmélet ennek a hatásnak a becslését, úgynevezett gravitációs vöröseltolódást, az olyan csillagok bejövő fényének mért hullámhosszaival, mint az S0-2, hogy megvizsgálják, hogy az elmélet igaz-e.
A gravitációtól eltérő tényezők befolyásolhatják a vöröseltolódást, többek között abban az esetben, ha egy tárgy elmozdul vagy a megfigyelő felé mutat. „A kérdés lényegében az, hogy meg tudja-e elég jól mérni ezeket a többi hatást, hogy önbizalommal mondhassa el, hogy amit lát, egy gravitációs vöröseltolódás, és nem csupán valami más módon, amellyel alapvetően beállíthatja a csillag ”- mondja Do.
Az S0-2 a Nyilas A * -ot kerüli minden 16 évben. 2018 májusában elérte a fekete lyukhoz legközelebbi pontot: 120 csillagászati egységben jött (alig több mint 11 milliárd mérföld), és a fénysebesség alig három százalékával halad (körülbelül 18 millió mérföld óránként). Ebben az időben a vöröseltolódás különösen figyelemre méltó, mivel a Nyilas A * gravitációs vonzása erősebbé válik, amikor a csillag közelebb halad. Ugyanezen év márciusában és szeptemberében a csillag szintén elérte a maximális sugársebesség, illetve a minimális sugársebesség pontjait, azaz a leggyorsabban és leglassabban mozgott a Földön lévő megfigyelőhöz képest. A három esemény vöröseltolódási jelei döntő fontosságúak a csillag pályájának feltérképezéséhez, ahol a gravitáció hatása a legszélsőségesebb.
„A vöröseltolódás jele a legközelebbi megközelítésnél a legerősebb, mivel a legközelebb van a fekete lyukhoz, de erre nincs a legkönnyebb mérni, mert amire valóban érzékenyek vagyunk… a relatív sebesség változása, tehát azt szeretné megkapni. ennek a jelnek a növekvő és eső oldalán ”- mondja Do.
Amint az S0-2 csillag közelebb kerül a galaxisunk közepén lévő fekete lyukhoz, a fénysugár az elektromágneses spektrum vöröses részeibe feszül ki - ezt a jelenséget az Einstein általános relativitáselmélete megjósolja. (Nicole R. Fuller / Nemzeti Tudományos Alapítvány) A szupermasszív fekete lyukak rejtélyes játszóterek a fizika tesztelésére, mivel nem illenek jól a mai domináns elméletekbe. "A fekete lyukak egyaránt nagyon hatalmasak és rendkívül kompaktok, tehát olyan, ahol az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika ütközik" - mondja Do. Míg a kvantummechanika az univerzumunk legkisebb részecskéit írja le - egy olyan birodalomra, ahol a gravitáció általában figyelmen kívül hagyható -, az általános relativitáselmélet olyan hatalmas tárgyakkal foglalkozik, amelyek hatalmas gravitációs mezővel rendelkeznek. Egyes fizikusok arra számítanak, hogy ez a két elmélet a fekete lyuk közepén fog fejleszteni, ahol egy hatalmas tömeget gondolunk egy végtelenül kis térfogatban, egy olyan pontban, amelyet gravitációs szingularitásnak nevezünk.
„Szinte minden kísérlet megérteni a gravitációt kvantumszinten, és megérteni, hogy az hogyan illeszkedik a többi természeti erőhöz, úgy tűnik, hogy az általános relativitáselmélet hiányos, és annak valamilyen módon le kell esnie vagy eltérnie kell, és az erős gravitáció ott történik, ahol ez megtörténik. ”- mondja Clifford Johnson, a dél-kaliforniai egyetem elméleti fizikusa, aki nem vett részt a vizsgálatban. „A fekete és a nagy lyukak környéke, mind a nagy, mind a kicsi, egyre inkább az erőteljes gravitáció megfigyelőterületévé válik…, ahol esélyünk van látni, ahol az általános relativitáselmélet lebomlik, és ha ez megtörténik, felfedhetjük a világegyetem fizikáját, és többet a tér és az idő természetéről. ”
A kutatócsoport a távcső képalkotó és spektroszkópiás kombinációját használta az S0-2 pályájának feltérképezésére. Mivel a Föld körüli légkör mindig mozog, és elmossa az égboltot, az adaptív optikára és a speckleképezésnek nevezett technikára támaszkodtak a tiszta kép elkészítéséhez - lényegében rugalmas tükörhöz használták, amelyet másodpercenként több ezer sebességgel hajtottak meg a szelepmozgatók, és pillanatfelvételeket készített az égből, hogy helyrehozza a légköri elmosódást.
„A Föld légköre nagyszerű az emberek számára, de rossz a csillagászat számára. ... Olyan, mintha egy kavicsra nézzünk egy folyó alatt, és megpróbáljuk megmérni a kavics helyzetét. ”Mondja Do. "Alapvetően a csillagok pislogását próbáljuk eltávolítani."
A két Keck-távcső lézerei a galaktikus központ irányában terjedtek. Minden lézer létrehoz egy mesterséges csillagot, amely felhasználható a Föld légköre miatt bekövetkező elmosódások kijavítására. (Ethan Tweedie) A kutatók nyomon követték az S0-2 körüli pályát, és összehasonlították az általános relativitáselméleti modell és az egyszerűbb newtoni fizikai modell előrejelzéseivel. A csapat megállapította, hogy a csillag közel 450 ezer mérföldet óránként gyorsabban halad, mint amit newtoni gravitáció megjósol, és hogy az általános relativitáselméleti modell 43 ezer alkalommal valószínűbb magyarázatot adni a megfigyelésekre.
„Einstein általános relativitáselmélete ismét igazolódik a mérések pontosságán belül” - mondja Nikodem Poplawski, a New Haven Egyetem matematikus és fizikus, aki nem vett részt az új tanulmányban. Azt is rámutat, hogy az eredmények alátámasztják a fekete lyukak létezését, az általános relativitáselméleti leírás szerint. "Amellett, amit áprilisban megfigyeltünk egy fekete lyuk első képével kapcsolatban, itt már több bizonyíték van arra, hogy a Tejútunkban egy szupermasszív fekete lyuk található."
A tavalyi hasonló munka azt is állította, hogy az S0-2 pályája követi az általános relativitáselméleti előrejelzéseket. Ezek az új eredmények azonban további bizonyítékokat adnak a további három hónapos adatokból, amelyeket akkor vettünk, amikor a csillag a legközelebb állt a Nyilas A * -hez, és a vöröseltolódás jele volt a legerősebb, ideértve a kritikus harmadik keringési eseményt a tavaly szeptemberben.
"Egy évtized óta fennáll annak a lehetősége, hogy meg lehet mérni az általános relativitáselméletet a galaktikus központban" - mondja Do. „Azt kell mondanunk, hogy végre meg tudjuk csinálni - számomra ez jelzi a további gravitációs tesztek korszakának kezdetét a galaxis közepén, és sok utat nyit a tudomány számára a szupermasszív fekete lyuk körül.” Előrelépés, a kutatócsoport folytatja az S-csillagok mozgásának nyomon követését, mélyebben kutatva a fekete lyukak rejtélyeiben és a világegyetemünket irányító fizikában.
