Vuonna 1915 Albert Einstein julkaisi kuuluisan yleisen suhteellisuusteoriansa, joka antoi yhtenäisen kuvauksen painovoimasta tilan ja ajan geometrisena ominaisuutena. Tämä teoria sai aikaan modernin gravitaatioteorian ja mullisti fysiikan ymmärrystämme. Siitä huolimatta, että siitä on kulunut vuosisata, tutkijat tekevät edelleen kokeita, jotka vahvistavat hänen teoriansa ennusteet.
Kansainvälisten tähtitieteilijöiden ryhmän (tunnetaan nimellä GRAVITY-yhteistyö) äskettäisten havaintojen ansiosta yleisen suhteellisuuden vaikutukset paljastettiin ensimmäistä kertaa käyttämällä Supermassive Black Hole (SMBH) -tekniikkaa. Nämä havainnot olivat huipentuma SMBH: n 26-vuotiseen havaintokampanjaan Linnunradan (Jousimies A *) keskustassa käyttämällä Euroopan eteläisen observatorion (ESO) instrumentteja.
Tutkimus, joka kuvaa ryhmän havaintoja, ilmestyi äskettäin päiväkirjaan Tähtitiede ja astrofysiikka, nimeltään ”Painovoiman punasiirtymän havaitseminen tähden S2 kiertoradalla lähellä galaktisen keskuksen massiivista mustaa reikää”. Tutkimusta johti ESO: n Roberto Arbuto. Tutkimukseen osallistui GRAVITY-yhteistyötä - jota johtaa Reinhard Genzel Max Planckin Maan ulkopuolisen fysiikan instituutista (MPE) ja johon kuuluu tähtitieteilijöitä useista Euroopan yliopistoista ja tutkimuslaitoksista.
Tutkimuksensa vuoksi ryhmä luottaa VLT: n erittäin arkaluontoisten ja tarkkuusinstrumenttien keräämiin tietoihin. Näitä olivat GRAVITY-astrometrinen ja interferometria-instrumentti, lähis Infrapuna-instrumentin integroitujen kenttähavaintojen spektrografi (SINFONI) ja Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Lähi-infrapunakuvaus ja spektrografi (CONICA), jotka tunnetaan yhdessä nimellä NACOn.
Näiden instrumenttien keräämien uusien infrapunahavaintojen avulla joukkue pystyi seuraamaan yhtä tähtiä (S2), joka kiertää Jousimies A *: ta sen kulkiessa mustan aukon edessä - joka tapahtui toukokuussa 2018. Lähin pisteessä kiertoradallaan. , tähti oli alle 20 miljardin km: n etäisyydellä mustasta aukosta ja liikkui yli 25 miljoonan km / h (15 miljoonaa mph) nopeudella - melkein kolme prosenttia valon nopeudesta .
Kun SINFONI-instrumenttia käytettiin S2: n nopeuden mittaamiseen kohti maata ja sen ulkopuolella, VLT-interferometrillä (VLTI) tehty GRAVITY-instrumentti mittasi poikkeuksellisen tarkat S2: n muuttuvan sijainnin sen kiertoradan määrittelemiseksi. GRAVITY-instrumentti loi sitten terävät kuvat, jotka paljastivat tähden liikkumisen, kun se kulki lähellä mustaa reikää.
Ryhmä vertasi sitten sijainnin ja nopeuden mittauksia aikaisempiin S2-havaintoihin muilla välineillä. Sitten he vertasivat näitä tuloksia Newtonin yleisen painovoiman lain, yleisen suhteellisuuden ja muiden painovoiman teorioiden tekemien ennusteiden kanssa. Odotetulla tavalla uudet tulokset olivat johdonmukaisia Einsteinin yli sata vuotta sitten tekemien ennusteiden kanssa.
Kuten Reinhard Genzel, joka GRAVITY-yhteistyön vetäjän lisäksi oli myös kirjoituksen kirjoittaja, selitti äskettäisessä ESO: n lehdistötiedotteessa:
”Tämä on toinen kerta, kun olemme havainneet S2: n tiiviin läpikulun galaktisen keskuksemme mustan aukon ympärillä. Mutta tällä kertaa, huomattavasti parannetun instrumentoinnin takia, pystyimme tarkkailemaan tähtiä ennennäkemättömällä resoluutiolla. Olemme valmistautuneet intensiivisesti tähän tapahtumaan usean vuoden ajan, koska halusimme hyödyntää tätä ainutlaatuista tilaisuutta tarkkailla yleisiä relativistisia vaikutuksia. ”
Kun ryhmää havaittiin VLT: n uusilla instrumenteilla, ryhmä havaitsi vaikutuksen, jota kutsutaan painovoimaisena punasiirtymäksi, jossa S2: sta tuleva valo muutti väriä, kun se veti lähemmäksi mustaa reikää. Tämän aiheutti mustan aukon erittäin voimakas painovoimakenttä, joka venytti tähden valon aallonpituutta aiheuttaen sen siirtymisen kohti spektrin punaista päätä.
Valon aallonpituuden muutos S2: sta sopii tarkalleen siihen, mitä Einsteinin kenttäyhtälö ennustaa. Kuten Frank Eisenhauer - tutkija Max Planckin Maan ulkopuolisen fysiikan instituutista, GRAVITY-tutkimuksen ja SINFONI-spektrografian päätutkija ja tutkimuksen yhteiskirjailija - ilmoitti:
“Ensimmäiset havainnot S2: sta GRAVITY: llä, noin kaksi vuotta sitten, osoittivat jo, että meillä olisi ihanteellinen mustan aukon laboratorio. Suljetun kulun aikana voimme jopa havaita useimpien kuvien mustan reiän ympärillä olevan heikon hehkua, joka antoi meille mahdollisuuden seurata tähtää tähtää täsmällisesti kiertoradallaan, johtaen lopulta gravitaation punaisen siirtymän havaitsemiseen S2-spektrissä.”
Kun on tehty muita testejä, jotka ovat vahvistaneet Einsteinin ennusteet, tämä on ensimmäinen kerta, kun yleisen relatiivisuuden suhteen havaitaan tähti liikkeessä supermassiivisen mustan aukon ympärillä. Tässä suhteessa Einstein on jälleen kerran osoitettu olevan oikeassa käyttämällä toistaiseksi äärimmäistä laboratoriota! Lisäksi se vahvisti, että relativistisia vaikutuksia sisältävät testit voivat antaa johdonmukaisia tuloksia ajassa ja tilassa.
"Täällä aurinkokunnassa voimme testata fysiikan lakeja vain nyt ja tietyissä olosuhteissa", kertoi ESO: n systeemitekniikan osaston päällikkö Françoise Delplancke. "Joten tähtitieteen kannalta on erittäin tärkeää tarkistaa myös, että nämä lait ovat edelleen voimassa, jos painovoimakentät ovat paljon voimakkaampia."
Lähitulevaisuudessa toinen relativistinen testi on mahdollista, kun S2 siirtyy pois mustasta aukosta. Tätä kutsutaan Schwarzschild-presekseksi, jossa tähden odotetaan kokevan pienen kiertoradan kiertoradallaan. GRAVITY-yhteistyö seuraa S2: ta myös tämän vaikutuksen havaitsemiseksi, luottaen jälleen kerran VLT: n erittäin tarkkoihin ja herkkiin instrumentteihin.
Kuten Xavier Barcons (ESO: n pääjohtaja) totesi, tämä saavutus oli mahdollista GRAVITY-yhteistyön edustaman kansainvälisen yhteistyön hengen ja niiden välineiden avulla, joita he auttoivat ESO: ta kehittämään:
”ESO on tehnyt yhteistyötä Reinhard Genzelin, hänen tiiminsä ja yhteistyökumppaneiden kanssa ESO: n jäsenvaltioissa yli neljänneksen vuosisadan. Oli erittäin haastavaa kehittää ainutlaatuisesti tehokkaita instrumentteja, joita tarvittiin näiden erittäin arkaluonteisten mittausten tekemiseksi ja käyttöönottamiseksi VLT: ssä Paranalissa. Tänään ilmoitettu löytö on erittäin mielenkiintoisen tuloksen merkittävästä kumppanuudesta. ”
Ja muista katsoa tämä video GRAVITY-yhteistyön onnistuneesta testistä, ESO: n suosituksella:
