У средишту галаксије Млечни пут, удаљеној скоро 26 000 светлосних година, гомила звезда кружи близу супермасивне црне рупе познате као Стрелац А *. Док се ових неколико десетака звезда, званих С-звезде, приближавају црној рупи - која је око четири милиона пута масивнија од сунца - њена огромна гравитациона сила повлачи их брже од 16 милиона миља на сат. У ствари, гравитационо повлачење Стрелца А * је толико интензивно да употријеби свјетлост из тих звијезда када се залутају преблизу, протежући таласне дужине према црвеном дијелу електромагнетског спектра.
Једна звезда, нарочито С0-2, толико се приближила Стрелцу А * да су астрономи открили да је то једна од најбољих природних лабораторија за тестирање граница наше фундаменталне теорије гравитације: Аинстеинова општа релативност.
Више од две деценије астрофизичари прате кретања С0-2 да би боље разумели рад гравитације и поставили Аинстеинову теорију на тест. Замишљањем положаја звезде и мерењем спектра њене светлости, истраживачи се надају да ће утврдити да ли С0-2 орбита око црне рупе одговара путу предвиђеном општу релативност. У студији објављеној данас у часопису Сциенце, међународни тим астронома извештава да се понашање звезде слаже са Ајнштајновом теоријом гравитације, потврђујући да општа релативност још увек постоји у региону око супермасивне црне рупе - бар за сада.
"Желите да тестирате теорију у екстремнијем окружењу колико можете ... да у суштини потиснете теорију јаче од онога што смо могли да предвидимо", каже Туан До, научник из УЦЛА, специјализован за галактички центар и главни аутор студије .
Слика орбите звезда око супермасивне црне рупе у средишту наше галаксије. Истакнута је орбита звезде С0-2. Ово је прва звезда која има довољно мерења да би тестирала Еинстеинову општу релативност око супермасивне црне рупе. (Кецк / УЦЛА Галацтиц Центер Гроуп) Аинстеинова општа теорија релативности описује три димензије простора и једну димензију времена као својствено везане у „тканину“ простора-времена. Масивни предмети, попут звезда и црних рупа, пресвлаче ову тканину како би се развукли и успорили време, повлачећи околне предмете према њима. Овај ефекат доживљавамо као гравитацију - јабука која пада са стабла. Али на светлост утичу и гравитационе силе, савијајући се током кретања кроз искривљено свемирско време око огромног предмета.
Према општој релативности, супермасивне црне рупе попут Стрелца А * стварају велику криву у просторном времену, стварајући изузетно снажно гравитационо поље. Када се звезда помери близу такве црне рупе, фотони емитиране светлости се увлаче у поље, а светлост која побјегне и доспе до Земље мора се извући из гравитационог бунара црне рупе. Резултат тога је да посматрана светлост има нижу енергију - нижу фреквенцију и већу таласну дужину - стварајући црвени спектар. Научници упоређују предвиђања овог ефекта генералне релативности, названа гравитациони црвени помак, са измереним таласним дужинама долазне светлости звезда попут С0-2 да би тестирали да ли је теорија тачна.
Међутим, велики број фактора осим гравитације може утицати на црвени помак, укључујући и ако се неки објект удаљава или посматрач. „Суштина питања је у основи, да ли можете довољно добро измерити све ове друге ефекте да можете са сигурношћу рећи да је оно што видите гравитационо црвено померање, а не само неки други начин на који можете у основи да подесите орбиту звезда ”, каже До.
С0-2 орбитира у Стрелцу А * сваких 16 година. У мају 2018. године достигао је најближу тачку до црне рупе, улазећи унутар 120 астрономских јединица (нешто више од 11 милијарди миља) и путујући при мало мање од три процента брзине светлости (око 18 милиона миља на сат). У овом тренутку, ефекат црвеног померања је посебно запажен јер гравитационо повлачење Стрелца А * јача када се звезда приближи. У марту и септембру исте године, звезда је такође достигла своје тачке максималне и минималне радијалне брзине, што значи да се креће најбрже и најспорије у односу на посматрача на Земљи. Сигнали црвеног померања са ова три догађаја су пресудни за мапирање облика орбите звезде тамо где су ефекти гравитације најекстремнији.
„Сигнал црвеног померања је најјачи у тачки најближег приступа, јер је најближи црној рупи, али то није место где је најлакше измерити, јер оно на шта смо заиста осетљиви… је промена у релативној брзини, па желите да је ухватите. о успону и паду овог сигнала ", каже До.
Како се звезда С0-2 приближава црној рупи у центру наше галаксије, њена светлост се протеже у црвене делове електромагнетног спектра, феномен који је предвиђала Аинстеинова општа теорија релативности. (Ницоле Р. Фуллер / Национална фондација за науку) Супермасивне црне рупе су загонетна игралишта за тестирање физике јер се не уклапају у данашње доминантне теорије. "Црне рупе су и веома масивне и изузетно компактне, тако да се некако сударају општа релативност и квантна механика", каже До. Док квантна механика описује најмање ситне честице у нашем универзуму - подручје где се гравитација обично не може занемарити - општа релативност се бави огромним објектима који имају огромна гравитациона поља. Неки физичари очекују да ће ове две теорије доћи до главе у самом средишту црне рупе, где се сматра да се огромна маса налази у бесконачно малом волумену, тачки познатој као гравитациона сингуларност.
„Изгледа да готово сви покушаји да се схвати гравитација на квантном нивоу и да се разуме како се уклапа у друге природне силе, наговештавају да је општа релативност непотпуна и да се мора на неки начин распасти или одступити, а јака гравитација је место где би се то догодило ", Каже Цлиффорд Јохнсон, теоријски физичар са Универзитета Јужна Калифорнија који није био укључен у студију, у е-поруци. "Сусјед црних рупа, и великих и малих, све више постаје опсерваторска арена за јаку гравитацију ... где имамо шансу да видимо где се опада релативна релативност, [и] ако постоји, евентуално откривајући физику нашег универзума, и више о природи простора и времена. "
Истраживачки тим је користио комбинацију снимања телескопа и спектроскопије за мапирање С0-2-ове орбите. Будући да се атмосфера око Земље увек креће, замагливши наш поглед на небо, ослањали су се на адаптивну оптику и технику која се назива спекулативно сликање да би снимили јасну слику - у суштини, користили су флексибилно огледало, покретаче хиљаде пута у секунди и снимили снимке неба како би исправили атмосферско замагљивање.
„Земљина атмосфера је сјајна за људе, али лоша за астрономију. ... То је попут гледања шљунка испод реке, а ви покушавате да измерите положај шљунка. "До каже. "У основи покушавамо да уклонимо свјетлуцање у звијездама."
Ласери из два Кецкова телескопа ширили су се у правцу галактичког центра. Сваки ласер ствара вештачку звезду која се може користити за исправљање замућења због Земљине атмосфере. (Етхан Твеедие) Истраживачи су пратили орбиту за С0-2 и упоређивали је са предвиђањима из општег модела релативности и једноставнијег невтонског модела физике. Тим је открио да се звезда креће скоро 450 хиљада миља на сат брже него што би предвиђала њујтонска гравитација, и да је општи модел релативности 43 хиљаде пута вероватнији да објасни њихова запажања.
„Аинстеинова општа теорија релативности се још једном показује исправном, у тачности мерења“, каже Никодем Поплавски, математичар и физичар са Универзитета у Нев Хавену који није био укључен у нову студију. Такође истиче да резултати подржавају постојање црних рупа како је описано у општој релативности. "Поред онога што смо приметили у априлу са првом сликом црне рупе, сада имамо још доказа да је оно што је унутар нашег Млечног пута супермасивна црна рупа."
Сличан рад пријављен прошле године такође је тврдио да је орбита С0-2 следила предвиђањима опште релативности. Међутим, ови нови резултати додају додатне доказе из додатна три месеца података узетих када је звезда била најближе Стрелцу А *, а сигнал црвеног померања био је најјачи, укључујући кључни трећи орбитални догађај у септембру прошле године.
„Могућност да бисте могли да измерите општу релативност у галактичком центру постоји већ деценију“, каже До. „Да кажем да коначно можемо то учинити - то ми значи почетак ере још већих тестова гравитације око средишта галаксије и отвара много путева за више науке око супермасивне црне рупе.“ Крећући се напред, истраживачки тим ће наставити праћење кретања звезда С, истражујући дубље у мистерије црних рупа и физике која управља нашим универзумом.
