Leta 1915 je Albert Einstein objavil svojo znamenito Teorijo splošne relativnosti, ki je dala enoten opis gravitacije kot geometrijske lastnosti prostora in časa. Ta teorija je povzročila sodobno teorijo gravitacije in spremenila naše razumevanje fizike. Čeprav je od takrat minilo stoletje, znanstveniki še vedno izvajajo poskuse, ki potrjujejo napovedi njegove teorije.
Zahvaljujoč nedavnim opazovanjem skupine mednarodnih astronomov (poznanih kot sodelovanje GRAVITY) so bili učinki Splošne relativnosti prvič razkriti z uporabo Supermasivne črne luknje (SMBH). Te ugotovitve so bile vrhunec 26-letne kampanje opazovanj SMBH v središču Mlečne poti (Strelec A *) z instrumenti Evropskega južnega observatorija (ESO).
Študija, ki opisuje ugotovitve ekipe, se je nedavno pojavila v reviji Astronomija in astrofizikaz naslovom "Zaznavanje gravitacijskega rdečega premika v orbiti zvezde S2 v bližini masične črne luknje v Galaktičnem središču". Študijo je vodil Roberto Arbuto iz ESO, vključevali pa so člane sodelovanja GRAVITY - ki ga vodi Reinhard Genzel z Inštituta za zunajzemeljsko fiziko Max Planck (MPE) in vključuje astronome z več evropskih univerz in raziskovalnih inštitutov.
Ekipa se je zaradi študije opirala na podatke, ki so jih zbrali izjemno občutljivi in visoko natančni instrumenti VLT. Ti vključujejo instrument za astronomijo in interferometrijo GRAVITY, spektrograf za opazovanje vgrajenih polja v bližini infrardečega (SINFONI) in instrument Nasmyth Adaptive Optics (NAOS) - instrument za blizu infrardečega slikanja in spektrograf (CONICA), ki sta skupaj znana kot NACO.
Nova infrardeča opazovanja, zbrana s pomočjo teh instrumentov, so ekipi omogočila spremljanje ene od zvezd (S2), ki kroži okoli Strelca A *, ko je šel pred črno luknjo - ki se je zgodila maja 2018. Na najbližji točki v svoji orbiti , zvezda je bila oddaljena manj kot 20 milijard km (12,4 milijarde milj) od črne luknje in se je gibala s hitrostjo nad 25 milijonov km / h (15 milijonov mph) - skoraj tri odstotke hitrosti svetlobe .
Medtem ko je bil instrument SINFONI uporabljen za merjenje hitrosti S2 proti Zemlji in stran od nje, je instrument GRAVITY v VLT Interferometru (VLTI) izjemno natančno meril spreminjajoči se položaj S2, da bi določil obliko njegove orbite. Instrument GRAVITY je nato ustvaril ostre slike, ki so razkrivale gibanje zvezde, ko se je približala črni luknji.
Ekipa je nato primerjala meritve položaja in hitrosti s prejšnjimi opazovanji S2 z drugimi instrumenti. Nato so te rezultate primerjali z napovedmi Newtonovega zakona o splošni gravitaciji, splošni relativnosti in drugih težih gravitacije. Kot je bilo pričakovati, so bili novi rezultati skladni z napovedmi, ki jih je pred dobrim stoletjem postavil Einstein.
Kot je v nedavnem sporočilu za javnost ESO pojasnil Reinhard Genzel, ki je bil poleg tega, da je bil vodja sodelovanja GRAVITY, soavtor prispevka.
"To je že drugič, da smo opazili bližnji prehod S2 okoli črne luknje v našem galaktičnem središču. Toda tokrat smo lahko zaradi precej izboljšanih inštrumentov zvezdo opazovali z izjemno ločljivostjo. Na ta dogodek smo se intenzivno pripravljali več let, saj smo želeli izkoristiti to edinstveno priložnost za opazovanje splošnih relativističnih učinkov. "
Ko so opazovali nove instrumente VLT, je ekipa opazila učinek, imenovan gravitacijski rdeči premik, kjer je svetloba, ki prihaja iz S2, spreminjala barvo, ko se je približala črni luknji. To je povzročilo zelo močno gravitacijsko polje črne luknje, ki je raztegnilo valovno dolžino svetlobe zvezde, zaradi česar se je preusmerila proti rdečemu koncu spektra.
Sprememba valovne dolžine svetlobe iz S2 se natančno ujema s tistim, kar je predvidela Einsteinova enačba polja. Kot je nakazal Frank Eisenhauer - raziskovalec Inštituta za zunajzemeljsko fiziko Max Planck, glavni raziskovalec GRAVITY in spektrografa SINFONI ter soavtor študije:
“Naša prva opažanja S2 z GRAVITY-om pred približno dvema letoma so že pokazala, da bomo imeli idealen laboratorij za črno luknjo. Med bližino prehoda smo lahko na večini slik celo zaznali šibek sijaj okoli črne luknje, kar nam je omogočilo natančno spremljanje zvezde na njeni orbiti, kar je na koncu vodilo do odkritja gravitacijskega rdečega premika v spektru S2.”
Medtem ko so bili opravljeni drugi testi, ki so potrdili Einsteinove napovedi, so prvič opazili učinke splošne relativnosti pri gibanju zvezde okoli supermasivne črne luknje. V tem pogledu se je Einstein še enkrat izkazal za prav, saj je uporabil enega najbolj skrajnih laboratorij do zdaj! Še več, potrdilo je, da testi, ki vključujejo relativistične učinke, lahko dajo konstantne rezultate skozi čas in prostor.
"Tukaj v Osončju lahko samo in pod določenimi pogoji testiramo zakone fizike," je dejala Françoise Delplancke, vodja oddelka za sistemski inženiring pri ESO. "Zato je v astronomiji zelo pomembno preveriti, ali so ti zakoni še vedno veljavni tam, kjer so gravitacijska polja zelo močnejša."
V bližnji prihodnosti bo mogoč še en relativistični test, ko se bo S2 oddaljil od črne luknje. To je znano kot Schwarzschildova precesija, kjer naj bi zvezda doživela majhno vrtenje v svoji orbiti. Sodelovanje GRAVITY bo spremljalo S2, da bo opazovalo tudi ta učinek in se ponovno opiralo na zelo natančne in občutljive instrumente VLT.
Kot je poudaril Xavier Barcons (generalni direktor ESO), je bil ta dosežek mogoč zahvaljujoč duhu mednarodnega sodelovanja, ki ga predstavlja sodelovanje GRAVITY, in instrumentov, ki so pomagali razvoju ESO:
„ESO že več kot četrt stoletja sodeluje z Reinhardom Genzelom in njegovo ekipo ter sodelavci v državah članicah ESO. Velik izziv je bil razviti edinstveno močne instrumente, potrebne za izvedbo teh zelo občutljivih meritev in njihovo uporabo na VLT v Paranalu. Odkritje, objavljeno danes, je zelo vznemirljiv rezultat izjemnega partnerstva. "
Oglejte si ta videoposnetek uspešnega preizkusa GRAVITY Collaboration, ki je vljuden ESO:
