În centrul galaxiei Calea Lactee, aflată la aproape 26.000 de ani lumină, un grup de stele cercuri aproape de gaura neagră supermasivă cunoscută sub numele de Săgetătorul A *. În timp ce aceste câteva zeci de stele, numite stele S, se apropie de gaura neagră - care este de aproximativ patru milioane de ori mai masivă decât soarele - imensa sa forță gravitațională le biciuiește mai repede cu 16 milioane de mile pe oră. De fapt, atracția gravitațională a Săgetătorului A * este atât de intensă încât îndepărtează lumina de aceste stele atunci când se îndepărtează prea aproape, întinzând lungimile de undă spre partea roșie a spectrului electromagnetic.
O stea în special, S0-2, se apropie atât de mult de Săgetătorul A * încât astronomii au descoperit că este unul dintre cele mai bune laboratoare naturale pentru testarea limitelor teoriei noastre fundamentale a gravitației: relativitatea generală a lui Einstein.
De mai bine de două decenii, astrofizicienii au urmărit mișcările S0-2 pentru a înțelege mai bine funcționarea gravitației și a pus teoria lui Einstein la încercare. Imaginând poziția stelei și măsurând spectrul luminii sale, cercetătorii speră să stabilească dacă orbita S0-2 în jurul găurii negre se potrivește cu calea prevăzută de relativitatea generală. Într-un studiu publicat astăzi în Science, o echipă internațională de astronomi raportează că comportamentul stelei este de acord cu teoria gravitației lui Einstein, confirmând faptul că relativitatea generală se menține încă în regiunea care înconjoară o gaură neagră supermasivă - cel puțin deocamdată.
„Vrei să testezi teoria într-un mediu cât se poate de extrem de extins ... pentru a împinge teoria mai greu decât ceea ce am fi putut prezice”, spune Tuan Do, un om de știință de cercetare de la UCLA, specializat în centrul galactic și autor principal al studiului. .
Imaginea orbitelor stelelor din jurul găurii negre supermasive din centrul galaxiei noastre. Evidențiată este orbita stelei S0-2. Aceasta este prima stea care are suficiente măsurători pentru a testa Relativitatea generală a lui Einstein în jurul unei găuri negre supermasive. (Grupul Centrului Galactic Keck / UCLA) Teoria generală a relativității a lui Einstein descrie cele trei dimensiuni ale spațiului și singura dimensiune a timpului ca fiind legate în mod inerent într-o „țesătură” a spațiului. Obiectele masive, precum stelele și găurile negre, deformează această țesătură pentru a întinde distanțele și timpul lent, trăgând obiecte înconjurătoare spre ele. Percepem acest efect ca fiind gravitația - un măr căzut de pe un copac. Dar lumina este, de asemenea, afectată de forțele gravitaționale, îndoindu-se pe măsură ce se deplasează prin spațiul distorsionat în jurul unui obiect masiv.
Conform relativității generale, găurile negre supermasive precum Săgetătorul A * creează o curbă mare în spațiu, producând un câmp gravitațional extrem de puternic. Atunci când o stea se apropie de o astfel de gaură neagră, fotoni de lumină emisă sunt trași pe câmp, iar lumina care scapă și o face pe Pământ trebuie să urce din puțul gravitațional al găurii negre. Rezultatul este că lumina observată are o energie mai mică - o frecvență mai mică și o lungime de undă mai lungă - producând un spectru mai roșu. Oamenii de știință comparează predicțiile relativității generale despre acest efect, numit gravitational redshift, cu lungimile de undă măsurate ale luminii de intrare de la stele ca S0-2 pentru a testa dacă teoria este adevărată.
O serie de factori, în afară de gravitate, pot influența redshift-ul, inclusiv dacă un obiect se îndepărtează sau spre observator. "Inima întrebării este, practic, puteți măsura toate aceste alte efecte suficient de bine încât puteți spune cu încredere că ceea ce vedeți este un redshift gravitațional și nu doar un alt mod în care puteți ajusta orbita de stea ”, spune Do.
S0-2 orbitează Săgetătorul A * la fiecare 16 ani. În mai 2018, a atins punctul cel mai apropiat de gaura neagră, ajungând în 120 de unități astronomice (puțin peste 11 miliarde de mile) și călătorind cu puțin sub trei la sută din viteza luminii (în jur de 18 milioane de mile pe oră). În acest moment, efectul redshift este deosebit de remarcabil, deoarece atracția gravitațională a Săgetătorului A * se dezvoltă mai puternic atunci când steaua se apropie. În martie și septembrie a aceluiași an, steaua și-a atins punctele de viteză radială maximă și, respectiv, minimă, ceea ce înseamnă că se mișca cel mai rapid și mai lent în raport cu un observator de pe Pământ. Semnalele redshift de la aceste trei evenimente sunt cruciale pentru cartografierea formei orbitei stelei, unde efectele gravitației sunt cele mai extreme.
"Semnalul redshift este cel mai puternic la punctul apropierii, deoarece este cel mai aproape de gaura neagră, dar nu este cel mai ușor de măsurat, deoarece ceea ce suntem cu adevărat sensibili la ... este schimbări în viteza relativă, deci vrei să-l prinzi pe partea în creștere și în scădere a acestui semnal ", spune Do.
Pe măsură ce steaua S0-2 se apropie de gaura neagră din centrul galaxiei noastre, lumina este întinsă în părțile roșii ale spectrului electromagnetic, un fenomen prezis de teoria generală a relativității a lui Einstein. (Nicole R. Fuller / National Science Foundation) Gurile negre super-masive sunt locuri de joacă nedumerite pentru testarea fizicii, deoarece nu se încadrează perfect în teoriile dominante de astăzi. „Găurile negre sunt deopotrivă foarte masive și extrem de compacte, astfel încât relativitatea generală și mecanica cuantică se ciocnesc”, spune Do. În timp ce mecanica cuantică descrie cele mai mici particule din universul nostru - un tărâm în care gravitația poate fi de obicei ignorată - relativitatea generală tratează obiecte masive care au câmpuri gravitaționale imense. Unii fizicieni se așteaptă ca aceste două teorii să vină în cap chiar centrul unei găuri negre, unde se crede că o masă imensă este cuprinsă într-un volum infinit de mic, punct cunoscut sub numele de singularitate gravitațională.
„Aproape toate încercările de a înțelege gravitația la nivel cuantic și de a înțelege cum se potrivește cu alte forțe ale naturii, par să sugereze că relativitatea generală este incompletă și trebuie să se descompună sau să devieze într-un fel, iar gravitația puternică este acolo unde s-ar întâmpla ", Spune Clifford Johnson, un fizician teoretic de la Universitatea din sudul Californiei care nu a fost implicat în studiu, într-un e-mail. „Cartierul găurilor negre, atât mari cât și mici, devine din ce în ce mai mult o arenă observațională pentru o gravitate puternică ... unde avem șansa de a vedea unde relativitatea generală se descompune, [și] dacă o face, revelând fizica universului nostru și mai multe despre natura spațiului și a timpului. ”
Echipa de cercetare a utilizat o combinație de imagistică a telescopului și spectroscopie pentru a harta orbita S0-2. Întrucât atmosfera din jurul Pământului este mereu în mișcare, neclarizând viziunea noastră asupra cerului, s-au bazat pe optică adaptivă și pe o tehnică numită imagistică cu speckle pentru a capta o imagine clară - în esență, au folosit o oglindă flexibilă, încălzită de mii de ori pe secundă de actuatoare, și a luat instantanee ale cerului pentru a corecta neclaritățile atmosferice.
„Atmosfera Pământului este excelentă pentru oameni, dar proastă pentru astronomie. ... Este ca și cum ai privi o pietricică sub un râu și ai încerca să măsoare poziția pietricelului. „Practic, încercăm să eliminăm sclipirea din stele.”
Lasere de la cele două telescoape Keck propagate în direcția centrului galactic. Fiecare laser creează o stea artificială care poate fi folosită pentru a corecta estomparea datorată atmosferei Pământului. (Ethan Tweedie) Cercetatorii au trasat o orbita pentru S0-2 si au comparat-o cu predictii de la modelul relativitatii generale si modelul de fizica newtoniana mai simplu. Echipa a descoperit că steaua se deplasa cu aproape 450 de mii de mile pe oră mai repede decât ceea ce avea să prezică gravitația newtoniană și că modelul relativității generale este de 43 de mii de ori mai probabil să explice observațiile lor.
„Teoria generală a relativității a lui Einstein se dovedește încă o dată corectă, în exactitatea măsurătorilor”, spune Nikodem Poplawski, matematician și fizician de la Universitatea din New Haven care nu a fost implicat în noul studiu. El mai subliniază că rezultatele susțin existența găurilor negre, așa cum este descris de relativitatea generală. „Pe lângă ceea ce s-a observat în aprilie cu prima imagine a unei găuri negre, acum avem aici mai multe dovezi că ceea ce se află în Calea Lactee a noastră este o gaură neagră supermasivă.”
Lucrări similare raportate anul trecut au mai susținut că orbita lui S0-2 a urmat predicțiile relativității generale. Cu toate acestea, aceste noi rezultate adaugă dovezi suplimentare de la trei luni suplimentare de date luate când steaua era cea mai apropiată de Săgetătorul A *, iar semnalul redshift a fost cel mai puternic, inclusiv cel de-al treilea eveniment orbital crucial din septembrie anul trecut.
„Posibilitatea de a măsura relativitatea generală la centrul galactic este de aproape un deceniu”, spune Do. „A spune că putem face acest lucru în sfârșit - asta pentru mine semnalează începutul unei ere a unor teste de gravitate și mai mari în jurul centrului galaxiei și deschide o mulțime de căi pentru mai multă știință în jurul găurii negre supermasive”. echipa de cercetare va continua să urmărească mișcările stelelor S, cercetând mai adânc misterele găurilor negre și fizica care guvernează universul nostru.
