Ligi 26 000 valgusaasta kaugusel Linnutee galaktika keskuses tiirleb tähtede klaster ülitäpse musta augu lähedal, mida tuntakse Amburi A * nime all. Kuna need paar tosinat tähte, mida nimetatakse S-tähtedeks, lähenevad mustale augule - mis on umbes neli miljonit korda massiivsem kui päike -, piitsutab tohutu gravitatsiooniline jõud neid ümber kiiremini kui 16 miljonit miili tunnis. Tegelikult on Amburi A * gravitatsiooniline tõmme nii intensiivne, et see koolutab nendest tähtedest tulevat valgust, kui nad liiga lähedalt hajuvad, sirutades lainepikkusi elektromagnetilise spektri punase osa poole.
Eriti üks täht, S0-2, saab Amburi A * külge nii lähedale, et astronoomid on leidnud, et see on üks parimaid looduslikke laboratooriume meie põhilise gravitatsiooniteooria: Einsteini üldrelatiivsusteooria piiride testimiseks.
Astrofüüsikud on enam kui kaks aastakümmet jälginud S0-2 liikumist, et gravitatsiooni toimimisest paremini aru saada ja Einsteini teooria proovile panna. Tähe asukohta pildistades ja selle valgusspektrit mõõtes loodavad teadlased kindlaks teha, kas S0-2 orbiit musta augu ümber vastab üldrelatiivsusteooria ennustatud teele. Täna ajakirjas Science avaldatud uuringus teatas rahvusvaheline astronoomide meeskond, et tähe käitumine on kooskõlas Einsteini gravitatsiooniteooriaga, kinnitades, et ülimadala suhtega musta augu ümbritsevas piirkonnas püsib üldine relatiivsus endiselt vähemalt praegu.
"Tahad teooriat testida nii ekstreemses keskkonnas kui võimalik ... et suruda teooriat sisuliselt raskemini, kui me arvata võisime, " ütleb Tuan Do, galaktikakeskusele spetsialiseerunud UCLA teadur ja uuringu juhtiv autor .
Pilt tähtede orbiitidest meie galaktika keskel asuva supermassiivse musta augu ümber. Esiletõstetud on tähe S0-2 orbiit. See on esimene täht, millel on piisavalt mõõtmisi, et testida Einsteini üldist relatiivsust supermassiivse musta augu ümber. (Keck / UCLA Galaktikakeskuse rühm) Einsteini üldine relatiivsusteooria kirjeldab ruumi kolme dimensiooni ja aja ühte mõõdet, mis on olemuslikult seotud kosmoseaja „kangaga”. Massiivsed objektid, näiteks tähed ja mustad augud, lõime seda kangast vahemaa pikendamiseks ja aja aeglustamiseks, tõmmates ümbritsevaid objekte nende poole. Me tajume seda mõju gravitatsioonina - õuna puult maha kukkudes. Kuid valgust mõjutavad ka gravitatsioonijõud, mis paindub, kui see liigub läbi koondunud kosmoseaja massiivse objekti ümber.
Üldrelatiivsusteooria kohaselt loovad ülimassiivsed mustad augud, nagu Ambur A *, kosmoseajal suure kõvera, tekitades äärmiselt tugeva gravitatsioonivälja. Kui täht liigub sellise musta augu lähedale, tõmmatakse välja paisatud valguse footonid välja ja Maale pääsev ja Maale eralduv valgus peab ronima musta augu gravitatsioonikaevust välja. Tulemuseks on see, et vaadeldava valguse energia on madalam - madalam sagedus ja pikem lainepikkus -, mis tekitab punasema spektri. Teadlased võrdlevad üldrelatiivsusteooria selle efekti ennustusi, mida nimetatakse gravitatsiooniliseks punanihkeks, tähtedest (nt S0-2) tuleva sissetuleva valguse mõõdetud lainepikkustega, et kontrollida, kas teooria peab paika.
Punast nihet võivad mõjutada mitmed muud tegurid peale gravitatsiooni, sealhulgas juhul, kui objekt eemaldub vaatleja poole. „Küsimuse keskmes on põhimõtteliselt see, kas saate kõiki neid teisi efekte piisavalt hästi mõõta, et saaksite kindlalt öelda, et näete gravitatsiooni punast nihet ja mitte ainult mingil muul viisil saate põhimõtteliselt reguleerida täht, ”ütleb Do.
S0-2 tiirleb Ambur A * ümber iga 16 aasta tagant. 2018. aasta mais jõudis see musta auku lähimasse punkti, jõudes 120 astronoomilisse ühikusse (veidi üle 11 miljardi miili) ja liikudes pisut alla kolme protsendi valguse kiirusest (umbes 18 miljonit miili tunnis). Sel ajal on punanihke efekt eriti tähelepanuväärne, kuna Amburi A * gravitatsiooniline tõmme kasvab tähe lähenedes tugevamaks. Sama aasta märtsis ja septembris jõudis täht ka vastavalt maksimaalse ja minimaalse radiaalkiiruse punktidesse, st liikus Maa vaatleja suhtes kõige kiiremini ja aeglasemalt. Nende kolme sündmuse punanihke signaalid on tähe orbiidi kuju kaardistamiseks üliolulised, kui gravitatsiooni mõjud on kõige äärmuslikumad.
„Punase nihke signaal on kõige tugevam lähima lähenemise hetkel, kuna see asub mustale augule kõige lähemal, kuid seda pole kõige lihtsam mõõta, sest see, mille suhtes me tegelikult tundlikud oleme…, on suhtelise kiiruse muutused, nii et soovite selle tabada selle signaali tõusul ja langusel, ”ütleb Do.
Kuna täht S0-2 jõuab meie galaktika keskel asuvale mustale augule lähemale, venitatakse selle valgus elektromagnetilise spektri punasemateks osadeks - seda nähtust ennustas Einsteini üldine relatiivsusteooria. (Nicole R. Fuller / Riiklik teadusfond) Supermassiivsed mustad augud on mõistatuslikud mänguväljakud füüsika testimiseks, kuna need ei mahu tänapäevaste domineerivate teooriate külge korralikult. "Mustad augud on nii väga massiivsed kui ka eriti kompaktsed, nii et see on selline, kus põrkuvad üldrelatiivsus ja kvantmehaanika, " ütleb Do. Kui kvantmehaanika kirjeldab meie universumi kõige väiksemaid osakesi - valdkonda, kus gravitatsiooni saab tavaliselt ignoreerida -, siis üldrelatiivsus käsitleb massiivseid objekte, millel on tohutud gravitatsiooniväljad. Mõned füüsikud loodavad, et need kaks teooriat tulevad pähe musta augu keskosas, kus arvatakse, et tohutu mass sisaldub lõpmata väikeses mahus - punktis, mida nimetatakse gravitatsiooniliseks singulaarsuseks.
„Peaaegu kõik katsed gravitatsiooni kvanttasandil mõista ja mõista, kuidas see sobib teiste loodusjõududega, näivad viitavat sellele, et üldine relatiivsus on puudulik ja peab mingil moel lagunema või kõrvale kalduma ning tugev gravitatsioon on koht, kus see juhtuks, ”Ütleb Lõuna-California ülikooli teoreetiline füüsik Clifford Johnson, kes uuringuga ei tegelenud, oma e-kirjas. „Nii suurte kui ka väikeste mustade aukude naabruskond on üha enam muutumas tugeva gravitatsiooni vaatlusalaks, kus meil on võimalus näha, kus üldrelatiivsus laguneb [ja] kui see juhtub, paljastades võimalusel meie universumi füüsikat ja rohkem ruumi ja aja olemuse kohta. ”
Uurimisrühm kasutas S0-2 orbiidi kaardistamiseks teleskoobi kujutise ja spektroskoopia kombinatsiooni. Kuna atmosfäär Maa ümber on alati liikuv, hägustades meie vaadet taevale, tuginesid nad selge pildi jäädvustamiseks adaptiivsele optikale ja täppide kujutiseks kutsutavale tehnikale - sisuliselt kasutasid nad elastset peeglit, mida väänavad ajamid tuhandeid kordi sekundis, ja tegi taevapildid atmosfääri hägustumise parandamiseks.
“Maa atmosfäär on inimestele suurepärane, kuid astronoomia jaoks halb. ... See on nagu jõe all oleva veeris vaatamine ja sa üritad mõõta veeris positsiooni. ”Do ütleb. "Põhimõtteliselt üritame eemaldada tähtede vilgutamise."
Kahe Kecki teleskoobi laserid levisid galaktika keskpunkti suunas. Iga laser loob kunstliku tähe, mida saab kasutada Maa atmosfääri põhjustatud hägususe korrigeerimiseks. (Ethan Tweedie) Teadlased jälitasid S0-2 orbiiti ja võrdlesid seda üldrelatiivsusteooria mudeli ja lihtsama Newtoni füüsika mudeli ennustustega. Meeskond leidis, et täht liikus peaaegu 450 tuhat miili tunnis kiiremini, kui Newtoni gravitatsioon ennustab, ning et üldrelatiivsusteooria muutsid nende vaatlusi 43 tuhat korda tõenäolisemalt.
"Einsteini üldine relatiivsusteooria osutub mõõtmiste täpsuse piires taas õigeks, " ütleb New Haveni ülikooli matemaatik ja füüsik Nikodem Poplawski, kes uues uuringus ei osalenud. Samuti toob ta välja, et tulemused toetavad mustade aukude olemasolu, nagu kirjeldab üldine relatiivsus. "Lisaks sellele, mida aprillis täheldati musta pildi esimese pildi kohta, on meil siin veel tõendeid selle kohta, et meie Linnutee sees on supermassiivne must auk."
Sarnane eelmisel aastal teatatud töö väitis ka, et S0-2 orbiit järgis üldrelatiivsuse prognoose. Need uued tulemused lisavad aga täiendavaid tõendeid veel kolme kuu andmetest, mis saadi siis, kui täht oli Amburi A * lähemale ja punasekõra signaal oli kõige tugevam, sealhulgas ülioluline kolmas orbitaalüritus eelmise aasta septembris.
"Võimalus, et saaksite mõõta üldist relatiivsust galaktikakeskuses, on olnud juba kümmekond aastat, " ütleb Do. “Ütleme, et saame selle lõpuks hakkama - see annab minu jaoks märku veelgi suurema gravitatsioonitesti ajastu algusest galaktika keskpunkti ümber ja avab palju võimalusi teaduse lisamiseks supermassiivse musta augu ümber.” Liikudes edasi, uurimisrühm jätkab S-tähtede liikumise jälgimist, uurides sügavamalt mustade aukude müsteeriume ja meie universumit valitsevat füüsikat.
