I 1915 udgav Albert Einstein sin berømte Generel relativitetsteori , som gav en samlet beskrivelse af tyngdekraften som en geometrisk egenskab ved rum og tid. Denne teori gav anledning til den moderne teori om gravitation og revolutionerede vores forståelse af fysik. Selvom der er gået et århundrede siden da, udfører videnskabsmænd stadig eksperimenter, der bekræfter hans teoris forudsigelser.
Tak til seneste observationer lavet af et team af internationale astronomer (kendt som GRAVITY-samarbejdet), er virkningerne af generel relativitet blevet afsløret ved hjælp af en Supermassivt sort hul (SMBH) for allerførste gang. Disse resultater var kulminationen på en 26-årig kampagne af observationer af SMBH i centrum af Mælkevejen ( Skytten A* ) bruger Europæisk Sydobservatorium 'S (ESO) instrumenter.
Undersøgelsen, der beskriver holdets resultater, dukkede for nylig op i tidsskriftetAstronomi og astrofysik, med titlen ' Påvisning af gravitationsrødforskydningen i kredsløbet om stjernen S2 nær det massive sorte hul i det galaktiske centrum “. Undersøgelsen blev ledet af Roberto Arbuto fra ESO og omfattede medlemmer fra GRAVITY-samarbejdet – som ledes af Reinhard Genzel fra Max Planck Institut for udenjordisk fysik (MPE) og omfatter astronomer fra flere europæiske universiteter og forskningsinstitutter.
Annoteret billede af stjernen S2's sti, når den passerer meget tæt på det supermassive sorte hul i midten af Mælkevejen. Kredit: ESO/M. Kornmesser
Af hensyn til deres undersøgelse stolede holdet på data indsamlet af VLT's ekstremt følsomme og højpræcisionsinstrumenter. Disse omfattede TYNGDEKRAFT astrometrisk og interferometrisk instrument, den Spektrograf til INtegral feltobservationer i det nære infrarøde (SINFONI) instrument, og Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Nær-infrarød billedkamera og spektrograf (CONICA) instrument, som tilsammen er kendt som NACO.
De nye infrarøde observationer indsamlet af disse instrumenter gjorde det muligt for holdet at overvåge en af stjernerne (S2), der kredser om Skytten A*, da den passerede foran det sorte hul - hvilket fandt sted i maj 2018. På det nærmeste punkt i dets kredsløb , var stjernen i en afstand på mindre end 20 milliarder km (12,4 milliarder mi) fra det sorte hul og bevægede sig med en hastighed på over 25 millioner km/t (15 millioner mph) – næsten tre procent af lysets hastighed .
Hvorimod SINFONI instrument blev brugt til at måle hastigheden af S2 mod og væk fra Jorden TYNGDEKRAFT instrument i VLT interferometer (VLTI) foretog ekstraordinært præcise målinger af den skiftende position af S2 for at definere formen på dens bane. Det TYNGDEKRAFT instrumentet skabte derefter de skarpe billeder, der afslørede stjernens bevægelse, da den passerede tæt på det sorte hul.
Holdet sammenlignede derefter positions- og hastighedsmålingerne med tidligere observationer af S2 ved hjælp af andre instrumenter. De sammenlignede derefter disse resultater med forudsigelser lavet af Newtons Loven om universel gravitation , Generel relativitetsteori og andre teorier om tyngdekraften. Som forventet var de nye resultater i overensstemmelse med forudsigelserne fra Einstein for over et århundrede siden.
Som Reinhard Genzel, der ud over at være leder af GRAVITY-samarbejdet var medforfatter på avisen, forklarede i en nylig ESO pressemeddelelse :
'Det er anden gang, vi har observeret den tætte passage af S2 omkring det sorte hul i vores galaktiske centrum. Men denne gang, på grund af meget forbedret instrumentering, var vi i stand til at observere stjernen med hidtil uset opløsning. Vi har forberedt os intenst på denne begivenhed i flere år, da vi ønskede at få mest muligt ud af denne unikke mulighed for at observere generelle relativistiske effekter.'
Når de blev observeret med VLT's nye instrumenter, bemærkede holdet en effekt kaldet gravitationel rødforskydning, hvor lyset fra S2 ændrede farve, da det nærmede sig det sorte hul. Dette var forårsaget af det meget stærke gravitationsfelt i det sorte hul, som strakte bølgelængden af stjernens lys, hvilket fik det til at skifte mod den røde ende af spektret.
Ændringen i lysets bølgelængde fra S2 stemmer præcis overens med, hvad Einsteins feltligning forudsagde. Som Frank Eisenhauer – en forsker fra Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, hovedforsker af GRAVITY og SINFONI-spektrografen, og en medforfatter på undersøgelsen – angivet :
'Vores første observationer af S2 med GRAVITY , for omkring to år siden, viste allerede, at vi ville have det ideelle sorte hul-laboratorium.Under den tætte passage kunne vi endda opdage det svage skær omkring det sorte hul på de fleste af billederne, hvilket gjorde det muligt for os præcist at følge stjernen på dens bane, hvilket i sidste ende førte til detektering af gravitationsrødforskydningen i spektret af S2.'
Mens andre tests er blevet udført, som har bekræftet Einsteins forudsigelser, er det første gang, at virkningerne af generel relativitet er blevet observeret i en stjernes bevægelse omkring et supermassivt sort hul. I denne henseende har Einstein igen fået ret ved at bruge et af det mest ekstreme laboratorium til dato! Hvad mere er, bekræftede det, at test, der involverer relativistiske effekter, kan give konsistente resultater over tid og rum.
'Her i solsystemet kan vi kun teste fysikkens love nu og under visse omstændigheder,' sagde Françoise Delplancke, leder af System Engineering Department hos ESO. 'Så det er meget vigtigt i astronomi også at kontrollere, at disse love stadig er gyldige, hvor gravitationsfelterne er meget stærkere.'
I den nærmeste fremtid vil endnu en relativistisk test være mulig, da S2 bevæger sig væk fra det sorte hul. Dette er kendt som en Schwarzschild-præcession, hvor stjernen forventes at opleve en lille rotation i sin bane. GRAVITY Collaboration vil overvåge S2 for også at observere denne effekt, igen ved at stole på VLT'ens meget præcise og følsomme instrumenter.
Som Xavier Barcons (ESOs generaldirektør) angivet , blev denne præstation muliggjort takket være ånden i internationalt samarbejde repræsenteret af GRAVITY-samarbejdet og de instrumenter, de hjalp ESO med at udvikle:
“ESO har arbejdet med Reinhard Genzel og hans team og samarbejdspartnere i ESO-medlemsstaterne i over et kvart århundrede. Det var en kæmpe udfordring at udvikle de unikke kraftfulde instrumenter, der er nødvendige for at foretage disse meget delikate målinger og at installere dem på VLT i Paranal. Den opdagelse, der blev annonceret i dag, er det meget spændende resultat af et bemærkelsesværdigt partnerskab.'
Og sørg for at tjekke denne video af GRAVITY Collaborations vellykkede test fra ESO:
Yderligere læsning: AT , Astronomi og astrofysik