Στο κέντρο του γαλαξία του Γαλαξία, σχεδόν 26.000 έτη φωτός μακριά, ένα σύμπλεγμα αστρικών κύκλων κοντά στην υπερμεγέθη μαύρη τρύπα γνωστή ως Τοξότης A *. Δεδομένου ότι αυτά τα λίγα αστέρια δωδεκάδων, που ονομάζονται S-αστέρια, προσεγγίζουν τη μαύρη τρύπα - η οποία είναι περίπου τέσσερις εκατομμύρια φορές πιο μαζική από τον ήλιο - η τεράστια βαρυτική δύναμή της τα μαστίζει πάνω από 16 εκατομμύρια μίλια ανά ώρα. Στην πραγματικότητα, η βαρυτική έλξη του Τοξότη Α * είναι τόσο έντονη που στρεβλώνει το φως από αυτά τα αστέρια όταν απουσιάζουν πολύ κοντά, τεντώνοντας τα μήκη κύματος προς το κόκκινο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Ειδικότερα ένα αστέρι, το S0-2, πλησιάζει πολύ στον Τοξότη Α *, που οι αστρονόμοι το έχουν βρει ως ένα από τα καλύτερα φυσικά εργαστήρια για τη δοκιμή των ορίων της θεμελιώδους θεωρίας της βαρύτητας: τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν.
Για περισσότερο από δύο δεκαετίες, οι αστροφυσικοί έχουν εντοπίσει τις κινήσεις του S0-2 για να κατανοήσουν καλύτερα τις λειτουργίες της βαρύτητας και να θέσουν τη θεωρία του Αϊνστάιν στη δοκιμασία. Με την απεικόνιση της θέσης του αστεριού και τη μέτρηση του φάσματος του φωτός του, οι ερευνητές ελπίζουν να προσδιορίσουν εάν η τροχιά του S0-2 γύρω από τη μαύρη τρύπα ταιριάζει με τη διαδρομή που προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα. Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε σήμερα στο Science, μια διεθνής ομάδα αστρονόμων αναφέρει ότι η συμπεριφορά του άστρου συμφωνεί με τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν, επιβεβαιώνοντας ότι η γενική σχετικότητα εξακολουθεί να συγκρατείται στην περιοχή που περιβάλλει μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα - τουλάχιστον για τώρα.
"Θέλετε να δοκιμάσετε τη θεωρία τόσο ακραίο όσο το περιβάλλον που μπορείτε ... να ωθήσετε ουσιαστικά τη θεωρία πιο σκληρά από ό, τι θα μπορούσαμε να προβλέψαμε", λέει ο Tuan Do, ερευνητής της UCLA που ειδικεύεται στο γαλαξιακό κέντρο και επικεφαλής της μελέτης .
Εικόνα των τροχιών των αστεριών γύρω από την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας. Επισημαίνεται η τροχιά του αστέρα S0-2. Αυτό είναι το πρώτο αστέρι που έχει αρκετές μετρήσεις για να ελέγξει τη Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. (Ομάδα Galactic Centre Keck / UCLA) Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν περιγράφει τις τρεις διαστάσεις του χώρου και τη μία διάσταση του χρόνου ως εγγενώς συνδεδεμένες σε ένα «ύφασμα» του χωροχρόνου. Τα μαζικά αντικείμενα, όπως τα αστέρια και οι μαύρες τρύπες, στρεβλώνουν αυτό το ύφασμα για να τεντώσουν τις αποστάσεις και να επιβραδύνουν το χρόνο, τραβώντας γύρω από αυτά τα αντικείμενα. Αντιλαμβανόμαστε το φαινόμενο αυτό ως βαρύτητα - ένα μήλο που πέφτει από ένα δέντρο. Αλλά το φως επηρεάζεται επίσης από τις βαρυτικές δυνάμεις, που κάμπτονται καθώς κινείται μέσα από τον στρεβλωμένο χώρο γύρω από ένα μαζικό αντικείμενο.
Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, όπως ο Τοξότης Α *, δημιουργούν μια μεγάλη καμπύλη στο χωροχρόνο, δημιουργώντας ένα εξαιρετικά ισχυρό πεδίο βαρύτητας. Όταν ένα αστέρι κινείται κοντά σε μια τέτοια μαύρη τρύπα, τα φωτόνια του εκπεμπόμενου φωτός τραβιούνται στο πεδίο και το φως που διαφεύγει και το κάνει στη Γη πρέπει να βγει από το βαρυτικό πηγάδι της μαύρης τρύπας. Το αποτέλεσμα είναι ότι το παρατηρούμενο φως έχει χαμηλότερη ενέργεια - χαμηλότερη συχνότητα και μεγαλύτερο μήκος κύματος - παράγοντας ένα κόκκινο φάσμα. Οι επιστήμονες συγκρίνουν τις προβλέψεις γενικής σχετικότητας σχετικά με αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται βαρυτική ερυθρή μετατόπιση, με τα μετρούμενα μήκη κύματος του εισερχόμενου φωτός από αστέρια όπως το S0-2 για να ελεγχθεί εάν η θεωρία ισχύει.
Ένας αριθμός άλλων παραγόντων, εκτός από τη βαρύτητα, μπορεί να επηρεάσει την κόκκινη μετατόπιση, ωστόσο, συμπεριλαμβανομένου του εάν ένα αντικείμενο κινείται μακριά ή προς τον παρατηρητή. "Η καρδιά της ερώτησης είναι, βασικά, μπορείτε να μετρήσετε όλα αυτά τα άλλα αποτελέσματα αρκετά καλά ώστε να μπορείτε να πείτε με βεβαιότητα ότι αυτό που βλέπετε είναι μια βαρυτική κόκκινη μετατόπιση και όχι μόνο κάποιος άλλος τρόπος μπορείτε να προσαρμόσετε βασικά την τροχιά του star ", λέει ο Do.
S0-2 τροχιά Τοξότης Α * κάθε 16 χρόνια. Τον Μάιο του 2018, έφτασε στο πλησιέστερο σημείο της μαύρης τρύπας, φτάνοντας μέσα σε 120 αστρονομικές μονάδες (μόλις πάνω από 11 δισεκατομμύρια μίλια) και ταξιδεύοντας σε λιγότερο από το 3% της ταχύτητας του φωτός (περίπου 18 εκατομμύρια μίλια ανά ώρα). Αυτή τη στιγμή, το φαινόμενο redshift είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτο καθώς η βαρυτική έλξη του Τοξότη A * γίνεται ισχυρότερη όταν το αστέρι κινηθεί πιο κοντά. Τον Μάρτιο και τον Σεπτέμβριο του ίδιου έτους, το αστέρι έφθασε επίσης στα σημεία μέγιστης και ελάχιστης ακτινικής ταχύτητας, αντίστοιχα, που σημαίνει ότι κινείται ταχύτερα και πιο αργά σε σχέση με έναν παρατηρητή στη Γη. Τα σήματα redshift από αυτά τα τρία γεγονότα είναι κρίσιμα για τη χαρτογράφηση του σχήματος της τροχιάς του αστέρα όπου τα αποτελέσματα της βαρύτητας είναι τα πιο ακραία.
"Το σήμα redshift είναι ισχυρότερο στο σημείο της πλησιέστερης προσέγγισης επειδή είναι πιο κοντά στη μαύρη τρύπα, αλλά αυτό δεν είναι το σημείο στο οποίο είναι πιο εύκολο να μετρήσουμε γιατί αυτό που είμαστε πραγματικά ευαίσθητοι σε ... είναι αλλαγές στη σχετική ταχύτητα, έτσι θέλετε να το πιάσετε στην άνοδο και την πτώση του σήματος αυτού, "λέει ο Do.
Καθώς το αστέρι S0-2 πλησιάζει περισσότερο στη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας, το φως τεντώνεται στα κόκκινα μέρη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ένα φαινόμενο που προβλέπεται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. (Nicole R. Fuller / Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών) Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι αινιγματικές παιδικές χαρές για τη φυσική δοκιμασία επειδή δεν ταιριάζουν με τις σκέψεις της σημερινής εποχής. "Οι μαύρες τρύπες είναι και οι δύο πολύ μαζικές και εξαιρετικά συμπαγείς, έτσι είναι το είδος όπου η γενική σχετικότητα και η κβαντική μηχανική συγκρούονται", λέει ο Do. Ενώ η κβαντική μηχανική περιγράφει τα μικρότερα σωματίδια στο σύμπαν μας - ένα πεδίο όπου η βαρύτητα μπορεί συνήθως να αγνοηθεί - η γενική σχετικότητα ασχολείται με μαζικά αντικείμενα που έχουν τεράστια βαρυτικά πεδία. Μερικοί φυσικοί αναμένουν ότι αυτές οι δύο θεωρίες θα φτάσουν στο κεφάλι ακριβώς στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας, όπου μια τεράστια μάζα θεωρείται ότι περιέχεται σε έναν απείρως μικρό όγκο, ένα σημείο γνωστό ως βαρυτική ιδιαιτερότητα.
"Σχεδόν όλες οι προσπάθειες κατανόησης της βαρύτητας στο κβαντικό επίπεδο και η κατανόηση του πώς ταιριάζει με άλλες δυνάμεις της φύσης φαίνεται να υποδηλώνουν ότι η γενική σχετικότητα είναι ατελής και πρέπει να σπάσει ή να αποκλίνει με κάποιο τρόπο και η έντονη βαρύτητα είναι όπου αυτό θα συμβεί, Λέει ο Clifford Johnson, ένας θεωρητικός φυσικός του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνιας που δεν συμμετείχε στη μελέτη, σε ένα ηλεκτρονικό ταχυδρομείο. «Η γειτονιά των μαύρων τρυπών, τόσο μεγάλων όσο και μικρών, γίνεται όλο και περισσότερο ένας παρατηρητικός χώρος για ισχυρή βαρύτητα ... όπου έχουμε την ευκαιρία να δούμε πού γενικεύεται η σχετικότητα της σχετικότητας, και αν συμβαίνει, ενδεχομένως αποκαλύπτοντας τη φυσική του σύμπαντος μας, και περισσότερα για τη φύση του χώρου και του χρόνου. "
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε έναν συνδυασμό απεικόνισης τηλεσκοπίων και φασματοσκοπίας για να χαρτογραφήσει την τροχιά του S0-2. Δεδομένου ότι η ατμόσφαιρα γύρω από τη Γη κινείται συνεχώς, θολώντας την άποψη του ουρανού, βασίστηκαν στην προσαρμοστική οπτική και σε μια τεχνική που ονομάζεται απεικόνιση κηλίδας για να καταγράψει μια σαφή εικόνα - ουσιαστικά, χρησιμοποίησαν έναν εύκαμπτο καθρέφτη, στρεβλωμένοι χιλιάδες φορές ανά δευτερόλεπτο από ενεργοποιητές, και έλαβε στιγμιότυπα του ουρανού για να διορθώσει την ατμοσφαιρική θόλωση.
"Η ατμόσφαιρα της γης είναι μεγάλη για τον άνθρωπο, αλλά κακή για την αστρονομία. ... Είναι σαν να κοιτάζετε ένα βότσαλο κάτω από ένα ποτάμι και προσπαθείτε να μετρήσετε τη θέση του βότσαλου. " "Βασικά, προσπαθούμε να απομακρύνουμε την αστραπή στα αστέρια."
Λέιζερ από τα δύο Tecks Keck πολλαπλασιάστηκαν προς την κατεύθυνση του γαλαξιακού κέντρου. Κάθε λέιζερ δημιουργεί ένα τεχνητό αστέρι που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διόρθωση του θολώματος λόγω της ατμόσφαιρας της Γης. (Ethan Tweedie) Οι ερευνητές εντοπίζουν μια τροχιά για το S0-2 και τη συγκρίνουν με τις προβλέψεις από το γενικό μοντέλο σχετικότητας και το απλούστερο μοντέλο φυσικής Newtonian. Η ομάδα διαπίστωσε ότι το αστέρι κινείται σχεδόν 450 χιλιάδες μίλια ανά ώρα ταχύτερα από ό, τι θα προέβλεπε η βαρύτητα του Νεύτωνα και ότι το γενικό μοντέλο σχετικότητας ήταν 43 χιλιάδες φορές πιο πιθανό να εξηγήσει τις παρατηρήσεις τους.
"Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν αποδεικνύεται και πάλι σωστά, μέσα στην ακρίβεια των μετρήσεων", λέει ο Nikodem Poplawski, μαθηματικός και φυσικός από το Πανεπιστήμιο του New Haven που δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. Επισημαίνει επίσης ότι τα αποτελέσματα υποστηρίζουν την ύπαρξη μαύρων οπών όπως περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα. "Εκτός από αυτό που παρατηρήθηκε τον Απρίλιο με την πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας, έχουμε τώρα περισσότερες ενδείξεις ότι αυτό που βρίσκεται μέσα στον Γαλαξία μας είναι μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα".
Παρόμοια εργασία που αναφέρθηκε πέρυσι ισχυρίστηκε επίσης ότι η τροχιά του S0-2 ακολούθησε τις προβλέψεις γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, αυτά τα νέα αποτελέσματα προσθέτουν πρόσθετα στοιχεία από πρόσθετους τρεις μήνες δεδομένων που λήφθηκαν όταν το αστέρι ήταν πιο κοντά στον Τοξότη Α * και το σήμα redshift ήταν το ισχυρότερο, συμπεριλαμβανομένου του κρίσιμου τρίτου τροχιακού γεγονότος τον Σεπτέμβριο του περασμένου έτους.
"Η πιθανότητα να μετρήσετε τη γενική σχετικότητα στο γαλαξιακό κέντρο ήταν εδώ και μια δεκαετία", λέει ο Do. "Για να πούμε ότι μπορούμε τελικά να το κάνουμε - αυτό για μένα σηματοδοτεί την έναρξη μιας εποχής ακόμα πιο δοκιμών βαρύτητας γύρω από το κέντρο του γαλαξία και ανοίγει πολλές οδούς για περισσότερη επιστήμη γύρω από την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα." Προχωρώντας προς τα εμπρός, η ερευνητική ομάδα θα συνεχίσει να παρακολουθεί τις κινήσεις των S-αστέγων, διερευνώντας βαθύτερα τα μυστήρια των μαύρων οπών και τη φυσική που κυβερνούν το σύμπαν μας.
