I midten af Mælkevejsgalaksen, næsten 26.000 lysår væk, cirkler en klynge af stjerner tæt på det supermassive sorte hul, kendt som Skytten A *. Da disse få dusin stjerner, kaldet S-stjerner, nærmer sig det sorte hul - som er omkring fire millioner gange mere massiv end solen - pisker dens enorme tyngdekraft dem rundt hurtigere end 16 millioner miles i timen. Faktisk er tyngdepunktet i Skytten A * så intens, at det snor lyset fra disse stjerner, når de forviller sig for tæt, og strækker bølgelængderne mod den røde del af det elektromagnetiske spektrum.
Især en stjerne, S0-2, kommer så tæt på Skytten A *, at astronomer har fundet det at være et af de bedste naturlige laboratorier til at teste grænserne for vores grundlæggende tyngdekraftteori: Einsteins generelle relativitet.
I mere end to årtier har astrofysikere fulgt S0-2's bevægelser for bedre at forstå tyngdekraften og sat Einsteins teori på prøve. Ved at afbilde stjernens position og måle lysets spektrum, håber forskere at afgøre, om S0-2's bane omkring det sorte hul matcher den sti, der er forudsagt af generel relativitet. I en undersøgelse, der blev offentliggjort i dag i Science, rapporterer et internationalt team af astronomer, at stjernens opførsel stemmer overens med Einsteins teori om tyngdekraft, hvilket bekræfter, at den generelle relativitet stadig hænger sammen i regionen omkring et supermassivt sort hul - i det mindste i øjeblikket.
"Du vil teste teorien så ekstremt som miljøet som du kan ... for i det væsentlige at skubbe teorien hårdere end hvad vi måske havde forudsagt, " siger Tuan Do, forskningsforsker ved UCLA med speciale i det galaktiske center og hovedforfatter af studiet .
Billede af stjernebaner omkring det supermassive sorte hul midt i vores galakse. Fremhævet er stjernens bane S0-2. Dette er den første stjerne, der har nok målinger til at teste Einsteins generelle relativitet omkring et supermassivt sort hul. (Keck / UCLA Galactic Center Group) Einsteins generelle relativitetsteori beskriver de tre dimensioner i rummet og den ene tidsdimension som iboende bundet op i et ”stof” i rumtid. Massive genstande, som stjerner og sorte huller, fordrej dette stof for at strække afstand og langsom tid, og trækker omgivende genstande mod dem. Vi opfatter denne effekt som tyngdekraft - et æble, der falder ned fra et træ. Men lys påvirkes også af tyngdekræfter, der bøjer sig, når det bevæger sig gennem den fordrejede rumtid omkring en massiv genstand.
I henhold til den generelle relativitet skaber supermassive sorte huller som Skytten A * en stor kurve i rumtiden, hvilket producerer et ekstremt stærkt tyngdefelt. Når en stjerne bevæger sig tæt på et så sort hul, trækkes fotoner med udsendt lys ind i marken, og lyset, der slipper ud og kommer til Jorden, må klatre ud af det sorte huls tyngdepunktsbrønde. Resultatet er, at det observerede lys har lavere energi - en lavere frekvens og længere bølgelængde - og producerer et rødere spektrum. Forskere sammenligner generel relativitets forudsigelser af denne effekt, kaldet gravitationsrødskift, med de målte bølgelængder af indgående lys fra stjerner som S0-2 for at teste, om teorien stemmer.
Et antal andre faktorer end tyngdekraften kan imidlertid påvirke rødskift, herunder hvis et objekt bevæger sig væk eller mod observatøren. ”Hjertet med spørgsmålet er, dybest set, kan du måle alle disse andre effekter godt nok, så du med sikkerhed kan sige, at det, du ser, er en tyngdepunkt rødskift, og ikke kun en anden måde, du grundlæggende kan justere bane på stjerne, ”siger Do.
S0-2 kredser Skytten A * hvert 16. år. I maj 2018 nåede det sit nærmeste punkt på det sorte hul, der kom inden for 120 astronomiske enheder (lidt over 11 milliarder miles) og rejste med knap tre procent af lysets hastighed (ca. 18 millioner miles i timen). På dette tidspunkt er rødskift-effekten især bemærkelsesværdig, da Skytten A *'s tyngdekraft bliver stærkere, når stjernen bevæger sig nærmere. I marts og september samme år nåede stjernen også sine point med henholdsvis maksimal og minimum radial hastighed, hvilket betyder, at den bevægede sig hurtigst og langsomt i forhold til en observatør på Jorden. Rødforskydningssignalerne fra disse tre begivenheder er afgørende for at kortlægge formen på stjernens bane, hvor virkningerne af tyngdekraften er de mest ekstreme.
”Rødforskydningssignalet er stærkest på tidspunktet for nærmeste tilgang, fordi det er tættest på det sorte hul, men det er ikke her, det er det nemmeste at måle, fordi det, vi virkelig er følsomme over for ... er ændringer i den relative hastighed, så du vil fange det på den stigende og faldende side af dette signal, ”siger Do.
Når stjernen S0-2 kommer tættere på det sorte hul midt i vores galakse, strækkes det lys ind i de rødere dele af det elektromagnetiske spektrum, et fænomen forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori. (Nicole R. Fuller / National Science Foundation) Supermassive sorte huller er forundrede legepladser til test af fysik, fordi de ikke passer pænt ind i dagens dominerende teorier. ”Sorte huller er både meget massive og ekstremt kompakte, så det er slags, hvor generel relativitet og kvantemekanik kolliderer, ” siger Do. Mens kvantemekanik beskriver de mindste partikler i vores univers - et område, hvor tyngdekraften normalt kan ignoreres, handler generel relativitet med massive genstande, der har enorme tyngdefelt. Nogle fysikere forventer, at disse to teorier vil komme til hovedet i midten af et sort hul, hvor en enorm masse menes at være indeholdt i et uendeligt lille volumen, et punkt kendt som gravitations singularitet.
”Næsten alle forsøg på at forstå tyngdekraften på kvantniveauet og forstå, hvordan det passer med andre kræfter i naturen, synes at antyde, at generel relativitet er ufuldstændig og skal nedbrydes eller afvige på en eller anden måde, og stærk tyngdekraft er, hvor dette ville ske, ”Siger Clifford Johnson, en teoretisk fysiker fra University of South California, der ikke var involveret i undersøgelsen, i en e-mail. ”Kvarteret af sorte huller, både store og små, bliver i stigende grad en observationsarena for stærk tyngdekraft… hvor vi har en chance for at se, hvor generel relativitet bryder sammen, [og] hvis det sker, muligvis afslører fysik i vores univers, og mere om arten af rum og tid. ”
Forskningsteamet brugte en kombination af teleskopafbildning og spektroskopi til at kortlægge S0-2's bane. Da atmosfæren omkring Jorden altid bevæger sig og slører vores syn på himlen, var de afhængige af adaptiv optik og en teknik kaldet speckle imaging for at fange et klart billede - i det væsentlige brugte de et fleksibelt spejl, fordrejet tusinder af gange i sekundet af aktuatorer, og tog snapshots af himlen for at korrigere for atmosfærisk sløring.
”Jordens atmosfære er stor for mennesker, men dårlig for astronomi. ... Det er som at se på en sten under en flod, og du prøver at måle stenens placering. ”Siger Do. ”Grundlæggende forsøger vi at fjerne det blinkende i stjernerne.”
Lasere fra de to Keck-teleskoper forplantede sig i retning af det galaktiske centrum. Hver laser skaber en kunstig stjerne, der kan bruges til at korrigere for slør på grund af Jordens atmosfære. (Ethan Tweedie) Forskerne sporet en bane for S0-2 og sammenlignede den med forudsigelser fra den generelle relativitetsmodel og den enklere Newtonske fysikmodel. Holdet fandt, at stjernen bevægede sig næsten 450 tusinde miles i timen hurtigere end hvad Newtonian gravitation ville forudsige, og at den generelle relativitetsmodel var 43 tusind gange mere tilbøjelig til at forklare deres observationer.
”Einsteins generelle relativitetsteori viser sig igen ret inden for målingernes nøjagtighed, ” siger Nikodem Poplawski, en matematiker og fysiker fra University of New Haven, der ikke var involveret i den nye undersøgelse. Han påpeger også, at resultaterne understøtter eksistensen af sorte huller som beskrevet af den generelle relativitet. "Ud over hvad der blev observeret i april med det første billede af et sort hul, har vi her mere bevis for, at hvad der er inde i vores Mælkevej, er et supermassivt sort hul."
Lignende arbejde rapporteret sidste år hævdede også, at S0-2's bane fulgte den generelle relativitets forudsigelser. Disse nye resultater tilføjer dog yderligere bevis fra yderligere tre måneders data, der blev taget, da stjernen var tættest på Skytten A *, og det røde skift signal var det stærkeste, inklusive den afgørende tredje orbitalbegivenhed i september sidste år.
”Muligheden for, at du kunne måle generel relativitet i det galaktiske centrum, har eksisteret i et årti, ” siger Do. ”At sige, at vi endelig kan gøre det - dette for mig signaliserer starten på en æra med endnu flere tyngdekontrol omkring galaksen centrum og åbner en masse muligheder for mere videnskab omkring det supermassive sorte hul.” vil forskerteamet fortsætte med at spore S-stjernenes bevægelser og undersøge dybere ind i mysterierne med sorte huller og fysikken, der styrer vores univers.
