W 1915 r. Albert Einstein opublikował swoją słynną teorię ogólnej teorii względności, która przedstawiła jednolity opis grawitacji jako geometrycznej właściwości przestrzeni i czasu. Teoria ta zrodziła nowoczesną teorię grawitacji i zrewolucjonizowała nasze rozumienie fizyki. Mimo że minęło sto lat, naukowcy nadal prowadzą eksperymenty, które potwierdzają przewidywania jego teorii.
Dzięki niedawnym obserwacjom dokonanym przez zespół międzynarodowych astronomów (znany jako współpraca GRAVITY), efekty ogólnej teorii względności ujawniono po raz pierwszy za pomocą supermasywnej czarnej dziury (SMBH). Odkrycia te były zwieńczeniem 26-letniej kampanii obserwacji SMBH w centrum Drogi Mlecznej (Strzelec A *) z wykorzystaniem instrumentów Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO).
Badanie, które opisuje odkrycia zespołu, pojawiło się niedawno w czasopiśmie Astronomia i astrofizyka, zatytułowany „Wykrywanie grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni na orbicie gwiazdy S2 w pobliżu masywnej czarnej dziury w centrum Galaktyki”. Badanie było prowadzone przez Roberto Arbuto z ESO i obejmowało członków ze współpracy GRAVITY - która jest prowadzona przez Reinharda Genzela z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka (MPE) i obejmuje astronomów z wielu europejskich uniwersytetów i instytutów badawczych.
Na potrzeby badań zespół polegał na danych zgromadzonych przez niezwykle czułe i precyzyjne przyrządy VLT. Obejmowały one instrument astrometryczny i interferometryczny GRAVITY, spektrograf do zintegrowanych obserwacji w polu w bliskiej podczerwieni (SINFONI) oraz Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - urządzenie do obrazowania w bliskiej podczerwieni i spektrografu (CONICA), które są razem znane jako NACO.
Nowe obserwacje w podczerwieni zgromadzone przez te instrumenty pozwoliły zespołowi monitorować jedną z gwiazd (S2), które krążą wokół Strzelca A *, przechodząc przed czarną dziurą - co miało miejsce w maju 2018 r. W najbliższym punkcie na orbicie , gwiazda znajdowała się w odległości mniejszej niż 20 miliardów kilometrów (12,4 miliarda mil) od czarnej dziury i poruszała się z prędkością przekraczającą 25 milionów kilometrów na godzinę (15 milionów mil na godzinę) - prawie trzy procent prędkości światła .
Podczas gdy przyrząd SINFONI był używany do pomiaru prędkości S2 w kierunku do i od Ziemi, przyrząd GRAVITY w interferometrze VLT (VLTI) wykonał niezwykle precyzyjne pomiary zmieniającej się pozycji S2 w celu określenia kształtu jej orbity. Następnie instrument GRAVITY stworzył ostre obrazy, które ujawniały ruch gwiazdy, gdy przechodzi ona blisko czarnej dziury.
Następnie zespół porównał pomiary położenia i prędkości z poprzednimi obserwacjami S2 przy użyciu innych instrumentów. Następnie porównali te wyniki z przewidywaniami dokonanymi przez prawo powszechnej grawitacji Newtona, ogólną teorię względności i inne teorie grawitacji. Zgodnie z oczekiwaniami nowe wyniki były zgodne z przewidywaniami Einsteina sprzed ponad stu lat.
Jak Reinhard Genzel, który oprócz bycia liderem współpracy GRAVITY był współautorem tego artykułu, wyjaśnił w niedawnym komunikacie prasowym ESO:
„Po raz drugi zaobserwowaliśmy bliski przepływ S2 wokół czarnej dziury w naszym centrum galaktycznym. Ale tym razem, ze względu na znacznie ulepszone oprzyrządowanie, byliśmy w stanie obserwować gwiazdę z niespotykaną rozdzielczością. Od kilku lat intensywnie przygotowujemy się do tego wydarzenia, ponieważ chcieliśmy wykorzystać tę wyjątkową okazję do zaobserwowania ogólnych efektów relatywistycznych. ”
Obserwując nowe instrumenty VLT, zespół zauważył efekt zwany przesunięciem grawitacyjnym, w którym światło pochodzące z S2 zmieniało kolor, gdy zbliżało się do czarnej dziury. Było to spowodowane bardzo silnym polem grawitacyjnym czarnej dziury, która rozciągała długość fali światła gwiazdy, powodując, że przesuwa się ona w kierunku czerwonego końca spektrum.
Zmiana długości fali światła z S2 dokładnie zgadza się z przewidywaniami równania pola Einsteina. Jak Frank Eisenhauer - badacz z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka, główny badacz GRAVITY i spektrografu SINFONI oraz współautor badania - wskazał:
“Nasze pierwsze obserwacje S2 za pomocą GRAVITY, około dwa lata temu, już wykazały, że mielibyśmy idealne laboratorium czarnej dziury. Podczas bliskiego przejścia mogliśmy nawet wykryć słaby blask wokół czarnej dziury na większości obrazów, co pozwoliło nam dokładnie podążać za gwiazdą na jej orbicie, co ostatecznie prowadzi do wykrycia przesunięcia grawitacyjnego w widmie S2.”
Chociaż przeprowadzono inne testy, które potwierdziły przewidywania Einsteina, po raz pierwszy zaobserwowano wpływ ogólnej teorii względności w ruchu gwiazdy wokół supermasywnej czarnej dziury. Pod tym względem Einstein został ponownie udowodniony, używając jednego z najbardziej ekstremalnych jak dotąd laboratorium! Co więcej, potwierdziło, że testy obejmujące efekty relatywistyczne mogą zapewnić spójne wyniki w czasie i przestrzeni.
„Tutaj, w Układzie Słonecznym, możemy testować prawa fizyki tylko teraz i pod pewnymi warunkami”, powiedziała Françoise Delplancke, kierownik działu inżynierii systemów w ESO. „Dlatego w astronomii bardzo ważne jest sprawdzenie, czy te prawa są nadal aktualne tam, gdzie pola grawitacyjne są znacznie silniejsze”.
W najbliższej przyszłości możliwy będzie kolejny test relatywistyczny, gdy S2 odsunie się od czarnej dziury. Jest to znane jako precesja Schwarzschilda, w której oczekuje się, że gwiazda doświadczy małego obrotu na swojej orbicie. Współpraca GRAVITY będzie monitorować S2, aby zaobserwować ten efekt, po raz kolejny polegając na bardzo precyzyjnych i czułych instrumentach VLT.
Jak wskazał Xavier Barcons (dyrektor generalny ESO), osiągnięcie to było możliwe dzięki duchowi współpracy międzynarodowej reprezentowanej przez współpracę GRAVITY i instrumentom, które pomogli ESO w opracowaniu:
„ESO współpracuje z Reinhardem Genzelem i jego zespołem oraz współpracownikami w państwach członkowskich ESO od ponad ćwierć wieku. Ogromnym wyzwaniem było opracowanie wyjątkowo potężnych instrumentów potrzebnych do wykonania tych bardzo delikatnych pomiarów i rozmieszczenie ich w VLT w Paranal. Odkrycie ogłoszone dzisiaj jest bardzo ekscytującym wynikiem niezwykłego partnerstwa. ”
I koniecznie sprawdź ten film z udanego testu GRAVITY Collaboration, dzięki uprzejmości ESO:
