I sentrum av Melkeveis galaksen, nesten 26 000 lysår unna, sirkler en klynge av stjerner nær det supermassive sorte hullet kjent som Skytten A *. Når disse få dusinvis stjerner, kalt S-stjerner, nærmer seg det sorte hullet - som er omtrent fire millioner ganger mer massivt enn solen - pisker den enorme gravitasjonskraften dem rundt raskere enn 16 millioner kilometer i timen. Faktisk er gravitasjonstrekket til Skytten A * så intenst at det snur seg lyset fra disse stjernene når de forviller seg for nær, og strekker bølgelengdene mot den røde delen av det elektromagnetiske spekteret.
Spesielt en stjerne, S0-2, kommer så nær Skytten A * at astronomer har funnet det å være et av de beste naturlige laboratoriene for å teste grensene for vår grunnleggende tyngdekraftteori: Einsteins generelle relativitet.
I mer enn to tiår har astrofysikere sporet bevegelsene til S0-2 for å forstå tyngdekraften bedre og satt Einsteins teori på prøve. Ved å avbilde stjernens posisjon og måle lysets spekter, håper forskere å avgjøre om S0-2s bane rundt det sorte hullet stemmer overens med banen som er forutsagt av generell relativitet. I en studie publisert i dag i Science, rapporterer et internasjonalt team av astronomer at stjernens oppførsel stemmer overens med Einsteins teorien om tyngdekraft, og bekrefter at generell relativitet fremdeles holder opp i regionen rundt et supermassivt svart hull - i det minste for nå.
"Du vil teste teorien så ekstrem som miljø du kan ... for i det vesentlige å presse teorien hardere enn hva vi kunne ha spådd, " sier Tuan Do, forskningsforsker ved UCLA som spesialiserer seg i det galaktiske senteret og hovedforfatter av studien. .
Bilde av baner av stjerner rundt det supermassive sorte hullet i sentrum av galaksen. Markert er banen til stjernen S0-2. Dette er den første stjernen som har nok målinger til å teste Einsteins generelle relativitet rundt et supermassivt svart hull. (Keck / UCLA Galactic Center Group) Einsteins generelle relativitetsteori beskriver romets tre dimensjoner og den ene dimensjonen av tid som iboende bundet opp i et “stoff” i romtid. Massive gjenstander, som stjerner og sorte hull, forvrenger dette stoffet til å strekke avstander og sakte tid, og trekker omgivende gjenstander mot dem. Vi oppfatter denne effekten som tyngdekraft - et eple som faller ned fra et tre. Men lys påvirkes også av gravitasjonskrefter, bøyer seg når det beveger seg gjennom den skjevde romtiden rundt en massiv gjenstand.
I henhold til generell relativitet, skaper supermassive sorte hull som Skytten A * en stor kurve i romtiden, og produserer et ekstremt sterkt gravitasjonsfelt. Når en stjerne beveger seg nær et så svart hull, trekkes fotoner med utsendt lys inn i feltet, og lyset som slipper ut og gjør det til jorden må klatre ut av det svarte hullets gravitasjonsbrønn. Resultatet er at det observerte lyset har lavere energi - en lavere frekvens og lengre bølgelengde - og produserer et rødere spekter. Forskere sammenligner generell relativitetens spådommer om denne effekten, kalt gravitasjonsrødskift, med de målte bølgelengdene til innkommende lys fra stjerner som S0-2 for å teste om teorien stemmer.
En rekke andre faktorer enn tyngdekraften kan påvirke rødforskyvning, derimot, hvis en gjenstand beveger seg bort eller mot observatøren. "Hjertet med spørsmålet er, i utgangspunktet, kan du måle alle disse andre effektene godt nok til at du trygt kan si at det du ser er en gravitasjonell rødforskyvning, og ikke bare en annen måte du i utgangspunktet kan justere bane til stjerne, sier Do.
S0-2 går i bane Skytten A * hvert 16. år. I mai 2018 nådde det sitt nærmeste punkt til det sorte hullet, og kom innenfor 120 astronomiske enheter (drøyt 11 milliarder mil) og reiste i underkant av tre prosent av lysets hastighet (rundt 18 millioner miles per time). På dette tidspunktet er rødskifteffekten spesielt bemerkelsesverdig ettersom gravitasjonstrekket til Skytten A * blir sterkere når stjernen beveger seg nærmere. I mars og september samme år nådde stjernen også poengene med henholdsvis maksimal og minimum radiell hastighet, noe som betyr at den beveget seg raskest og tregest i forhold til en observatør på jorden. Rødforskyvningssignalene fra disse tre hendelsene er avgjørende for å kartlegge formen på stjernens bane der tyngdekrafteffektene er de mest ekstreme.
"Rødforskyvningssignalet er sterkest på tidspunktet for nærmeste tilnærming fordi det er nærmest det sorte hullet, men det er ikke der det er det enkleste å måle fordi det vi virkelig er følsomme for ... er endringer i relativ hastighet, så du vil fange det på den stigende og fallende siden av dette signalet, sier Do.
Når stjernen S0-2 kommer nærmere det svarte hullet i sentrum av galaksen vår, blir det lys strukket inn i de rødere delene av det elektromagnetiske spekteret, et fenomen forutsagt av Einsteins generelle relativitetsteori. (Nicole R. Fuller / National Science Foundation) Supermassive sorte hull er rart lekeplasser for å teste fysikk fordi de ikke passer pent inn i dagens dominerende teorier. "Sorte hull er både veldig massive og ekstremt kompakte, så det er på en måte hvor generell relativitet og kvantemekanikk kolliderer, " sier Do. Mens kvantemekanikk beskriver de minste partiklene i universet vårt - et rike der tyngdekraften vanligvis kan ignoreres, omhandler generell relativitet massevise gjenstander som har enorme tyngdefelt. Noen fysikere forventer at disse to teoriene vil komme til å stå i sentrum av et svart hull, hvor en enorm masse antas å være inneholdt i et uendelig lite volum, et punkt kjent som gravitasjons singularitet.
Nesten alle forsøk på å forstå tyngdekraften på kvantenivå og forstå hvordan den passer med andre krefter i naturen, ser ut til å antyde at generell relativitet er ufullstendig og må brytes ned eller avvike på noen måte, og sterk tyngdekraft er der dette ville skje, Sier Clifford Johnson, en teoretisk fysiker fra University of South California som ikke var involvert i studien, i en e-post. "Nabolaget av sorte hull, både store og små, blir i økende grad en observasjonsarena for sterk tyngdekraft ... der vi har en sjanse til å se hvor generell relativitet brytes ned, [og] hvis den gjør det, muligens avslører fysikken i universet vårt, og mer om romets og tidens natur. ”
Forskerteamet brukte en kombinasjon av teleskopavbildning og spektroskopi for å kartlegge S0-2s bane. Siden atmosfæren rundt jorden alltid beveger seg og uskarpt synet vårt på himmelen, stolte de på adaptiv optikk og en teknikk som kalles flekkavbildning for å fange et klart bilde - i det vesentlige brukte de et fleksibelt speil, vridd tusenvis av ganger i sekundet av aktuatorer og tok øyeblikksbilder av himmelen for å korrigere for atmosfærisk uskarphet.
”Jordens atmosfære er flott for mennesker, men dårlig for astronomi. ... Det er som å se på en rullestein under en elv, og du prøver å måle plasseringen av rullesteinen. ”Sier Do. "I utgangspunktet prøver vi å fjerne glimtet i stjernene."
Lasere fra de to Keck-teleskopene forplantet seg i retning av det galaktiske sentrum. Hver laser skaper en kunstig stjerne som kan brukes til å korrigere for uskarphet på grunn av jordas atmosfære. (Ethan Tweedie) Forskerne sporet en bane for S0-2 og sammenlignet den med spådommer fra den generelle relativitetsmodellen og den enklere Newtonske fysikkmodellen. Teamet fant ut at stjernen beveget seg nesten 450 tusen miles i timen raskere enn hva Newtonian tyngdekraften ville forutsi, og at den generelle relativitetsmodellen var 43 tusen ganger mer sannsynlig å forklare observasjonene deres.
"Einsteins generelle relativitetsteori viser nok en gang rett, innenfor nøyaktigheten til målingene, " sier Nikodem Poplawski, en matematiker og fysiker fra University of New Haven som ikke var involvert i den nye studien. Han påpeker også at resultatene støtter eksistensen av sorte hull som beskrevet av generell relativitet. "I tillegg til det som ble observert i april med det første bildet av et svart hull, har vi her flere bevis på at det som er inne i Melkeveien vår, er et supermassivt svart hull."
Lignende arbeid rapportert i fjor hevdet også at S0-2s bane fulgte generell relativitetens spådommer. Disse nye resultatene gir imidlertid ekstra bevis fra ytterligere tre måneder med data som ble tatt da stjernen var nærmest Skytten A * og rødskiftesignalet var det sterkeste, inkludert den avgjørende tredje omløpshendelsen i september i fjor.
"Muligheten for at du kan måle generell relativitet på det galaktiske sentrum har eksistert i et tiår, " sier Do. "Å si at vi endelig kan gjøre det - dette signaliserer for meg begynnelsen på en epoke med enda flere tyngdekontroller rundt sentrum av galaksen og åpner mange veier for mer vitenskap rundt det supermassive sorte hullet." forskerteamet vil fortsette å spore S-stjernenes bevegelser, undersøke dypere inn i mysteriene rundt sorte hull og fysikken som styrer universet vårt.
