1915. gadā Alberts Einšteins publicēja savu slaveno teoriju par vispārējo relativitāti, kas sniedza vienotu gravitācijas aprakstu kā telpas un laika ģeometrisko īpašību. Šī teorija radīja mūsdienu gravitācijas teoriju un radīja revolūciju mūsu izpratnei par fiziku. Kaut arī kopš tā laika ir pagājis gadsimts, zinātnieki joprojām veic eksperimentus, kas apstiprina viņa teorijas prognozes.
Pateicoties nesenajiem starptautisko astronomu komandas (pazīstama kā GRAVITY sadarbība) novērojumiem, vispārējās relativitātes ietekme tika atklāta, izmantojot Supermassive Black Hole (SMBH). Šie atklājumi bija kulminācija 26 gadus ilgajai SMBH novērojumu kampaņai Piena ceļa centrā (Strēlnieks A *), izmantojot Eiropas Dienvidu observatorijas (ESO) instrumentus.
Nesen žurnālā parādījās pētījums, kurā aprakstīti komandas atklājumi Astronomija un astrofizika, ar nosaukumu “Gravitācijas sarkanā nobīdes noteikšana zvaigznes S2 orbītā netālu no Galaktiskā centra masīvā melnā cauruma”. Pētījumu vadīja Roberto Arbuto no ESO, un tajā tika iesaistīti GRAVITY sadarbības pārstāvji - kuru vada Reinhards Genzels no Maksas Plankas Ārzemju fizikas institūta (MPE) un kurā ietilpst astronomi no vairākām Eiropas universitātēm un pētniecības institūtiem.
Sava pētījuma veikšanai komanda paļāvās uz datiem, ko ieguvuši VLT īpaši jutīgie un augstas precizitātes instrumenti. Tajos ietilpa GRAVITY astrometrijas un interferometrijas instruments, tuvās infrasarkanās līnijas (SINFONI) integrālā lauka novērojumu spektrogrāfs un Nasmyth adaptīvās optikas sistēma (NAOS) - gandrīz infrasarkano staru attēlveidotājs un spektrogrāfs (CONICA), kas kopā pazīstami kā NACO.
Jaunie infrasarkano staru novērojumi, kas savākti ar šiem instrumentiem, ļāva komandai novērot vienu no zvaigznēm (S2), kas riņķo ap Strēlnieku A *, kad tā gāja garām melnajam caurumam - kas notika 2018. gada maijā. Tuvākajā tās orbītas vietā , zvaigzne atradās mazāk nekā 20 miljardu km (12,4 miljardu jūdžu) attālumā no melnā cauruma un pārvietojās ar ātrumu, kas pārsniedz 25 miljonus km / h (15 miljoni mph) - gandrīz trīs procentus no gaismas ātruma .
Tā kā SINFONI instruments tika izmantots S2 ātruma mērīšanai virzienā uz Zemes un prom no tās, VAR interferometra (VLTI) instruments GRAVITY veica ārkārtīgi precīzus S2 mainīgā stāvokļa mērījumus, lai noteiktu tā orbītas formu. Pēc tam GRAVITY instruments izveidoja asus attēlus, kas atklāja zvaigznes kustību, pārejot tuvu melnajam caurumam.
Pēc tam komanda salīdzināja pozīcijas un ātruma mērījumus ar iepriekšējiem S2 novērojumiem, izmantojot citus instrumentus. Pēc tam viņi salīdzināja šos rezultātus ar prognozēm, kuras izstrādāja Ņūtona Universālās gravitācijas likums, Vispārējā relativitāte un citas gravitācijas teorijas. Kā jau varēja gaidīt, jaunie rezultāti saskanēja ar Einšteina pareizajām prognozēm pirms vairāk nekā gadsimta.
Kā nesenā ESO paziņojumā presei paskaidroja Reinhards Genzels, kurš papildus tam, ka bija arī “GRAVITY” sadarbības vadītājs, bija līdzautors šajā dokumentā,
“Šī ir otrā reize, kad mēs novērojam S2 tuvu gājienu ap melno caurumu mūsu galaktikas centrā. Bet šoreiz, pateicoties ievērojami uzlabotiem instrumentiem, mēs varējām novērot zvaigzni ar nepieredzētu izšķirtspēju. Vairāku gadu laikā mēs intensīvi gatavojāmies šim notikumam, jo mēs vēlējāmies maksimāli izmantot šo unikālo iespēju novērot vispārējos relativistiskos efektus. ”
Novērojot ar VLT jaunajiem instrumentiem, komanda atzīmēja efektu, ko sauc par gravitācijas sarkano nobīdi, kur gaisma, kas nāk no S2, mainīja krāsu, tuvojoties melnajam caurumam. To izraisīja ļoti spēcīgais melnā cauruma gravitācijas lauks, kas stiepās zvaigznes gaismas viļņa garumā, liekot tai pāriet uz spektra sarkano galu.
Gaismas viļņa garuma izmaiņas no S2 precīzi atbilst tam, ko prognozēja Einšteina lauka vienādojums. Kā Frenks Eizenhauers - Maksas Planka Ārzemju fizikas institūta pētnieks, GRAVITY un SINFONI spektrogrāfa galvenais pētnieks un pētījuma līdzautors - norādīja:
“Mūsu pirmie novērojumi par S2 ar GRAVITY aptuveni pirms diviem gadiem jau parādīja, ka mums būs ideāla melnā cauruma laboratorija. Tuvās pārejas laikā mēs pat varējām noteikt vāju mirdzumu ap melno caurumu lielākajā daļā attēlu, kas ļāva precīzi sekot zvaigznei tās orbītā, galu galā novedot pie gravitācijas sarkanā nobīdes noteikšanas S2 spektrā.”
Lai gan tika veikti citi testi, kas apstiprināja Einšteina prognozes, šī ir pirmā reize, kad vispārējās relativitātes ietekme tiek novērota, zvaigznei virzoties ap supermasīvu melno caurumu. Šajā ziņā Einšteinam vēlreiz ir pierādīta taisnība, izmantojot vienu līdz šim ekstrēmāko laboratoriju! Turklāt tas apstiprināja, ka testi, kas saistīti ar relativistiskiem efektiem, var iegūt konsekventus rezultātus laikā un telpā.
“Šeit, Saules sistēmā, mēs varam pārbaudīt fizikas likumus tikai tagad un noteiktos apstākļos,” sacīja ESO Sistēmas inženierijas departamenta vadītājs Fransuāze Delplānke. "Tāpēc astronomijā ir ļoti svarīgi arī pārbaudīt, vai šie likumi joprojām ir spēkā, ja gravitācijas lauki ir ļoti spēcīgi."
Tuvākajā laikā būs iespējams vēl viens relativistisks tests, jo S2 attālinās no melnā cauruma. Tas ir pazīstams kā ŠvarcŠilda precese, kurā zvaigznei ir paredzēts piedzīvot nelielu rotāciju savā orbītā. Sadarbība GRAVITY pārraudzīs S2, lai novērotu arī šo efektu, atkal paļaujoties uz VLT ļoti precīziem un jutīgiem instrumentiem.
Kā norādīja Xavier Barcons (ESO ģenerāldirektors), šis sasniegums bija iespējams, pateicoties starptautiskās sadarbības garam, ko pārstāv GRAVITY sadarbība, un instrumentiem, ar kuriem viņi palīdzēja ESO attīstīties:
“ESO vairāk nekā ceturtdaļgadsimta laikā ir strādājis kopā ar Reinhardu Genzeli un viņa komandu un līdzstrādniekiem ESO dalībvalstīs. Tas bija milzīgs izaicinājums, lai izstrādātu unikāli jaudīgos instrumentus, kas nepieciešami šo ļoti delikāto mērījumu veikšanai un izvietošanai VLT Paranal. Šodien paziņotais atklājums ir ļoti aizraujošs ievērojamās partnerības rezultāts. ”
Un noteikti apskatiet šo video par GRAVITY Collaboration veiksmīgo testu, izmantojot ESO:
