I 1915 udgav Albert Einstein sin berømte teori om generel relativitet, der gav en samlet beskrivelse af tyngdekraften som en geometrisk egenskab for rum og tid. Denne teori gav anledning til den moderne gravitationsteori og revolutionerede vores forståelse af fysik. Selvom der er gået et århundrede siden da, gennemfører forskere stadig eksperimenter, der bekræfter hans teoris forudsigelser.
Takket være nylige observationer foretaget af et team af internationale astronomer (kendt som GRAVITY-samarbejdet) er virkningerne af General Relativity blevet afsløret ved hjælp af et Supermassive Black Hole (SMBH) for allerførste gang. Disse fund var kulminationen på en 26-årig kampagne med observationer af SMBH i midten af Mælkevejen (Skytten A *) ved hjælp af Det Europæiske Sydobservatoriums (ESO) instrumenter.
Undersøgelsen, der beskriver holdets resultater for nylig, blev vist i tidsskriftet Astronomi og astrofysik, med titlen "Påvisning af gravitationsrødskiftet i bane af stjernen S2 nær det galaktiske centrum af massivt sort hul". Undersøgelsen blev ledet af Roberto Arbuto fra ESO og omfattede medlemmer fra GRAVITY-samarbejdet - som ledes af Reinhard Genzel fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) og inkluderer astronomer fra flere europæiske universiteter og forskningsinstitutter.
Af hensyn til deres undersøgelse stod teamet på data indsamlet af VLT's ekstremt følsomme og højpræcisionsinstrumenter. Disse omfattede GRAVITY-astrometrisk og interferometri-instrumentet, Spektrografen til integrale feltobservationer i instrumentet Near Infrared (SINFONI) og Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) instrument, som sammen er kendt som NACO.
De nye infrarøde observationer indsamlet af disse instrumenter gjorde det muligt for teamet at overvåge en af stjernerne (S2), der kredser om Skytten A *, da det passerede foran det sorte hul - som fandt sted i maj 2018. På det nærmeste punkt i sin bane , stjerne var i en afstand af 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 km / h) - næsten tre procent af lysets hastighed .
Mens SINFONI-instrumentet blev brugt til at måle hastigheden af S2 mod og væk fra Jorden, foretog GRAVITY-instrumentet i VLT-interferometer (VLTI) ekstraordinært præcise målinger af den ændrede position af S2 for at definere formen på dens bane. GRAVITY-instrumentet skabte derefter de skarpe billeder, der afslørede stjernens bevægelse, da den passerede tæt på det sorte hul.
Holdet sammenlignede derefter positions- og hastighedsmålinger med tidligere observationer af S2 ved hjælp af andre instrumenter. Derefter sammenlignede de disse resultater med forudsigelser foretaget af Newtons lov om universel gravitation, generel relativitet og andre tyngdekrafter. Som forventet var de nye resultater i overensstemmelse med forudsigelserne fra Einstein for over et århundrede siden.
Som Reinhard Genzel, der udover at være leder af GRAVITY-samarbejdet var medforfatter på papiret, forklarede i en nylig ESO-pressemeddelelse:
”Dette er anden gang, at 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 en 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 det blev observeret med VLTs nye instrumenter, bemærkede teamet en effekt kaldet gravitationsrødskift, hvor lyset fra S2 ændrede farve, da det kom nærmere det sorte hul. Dette blev forårsaget af det meget stærke tyngdefelt i det sorte hul, der strakte bølgelængden for stjernens lys, hvilket fik det til at skifte mod den røde ende af spektret.
Ændringen i bølgelængden af lys fra S2 stemmer nøjagtigt overens med, hvad Einsteins feltligning forudsagde. Som Frank Eisenhauer - en forsker fra Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, den primære efterforsker af GRAVITY og SINFONI spektrograf og en medforfatter til undersøgelsen - angav:
“Vores første observationer af S2 med GRAVITY for ca. to år siden viste allerede, at vi ville have det ideelle sort hullaboratorium. Under den tætte passage kunne vi endda opdage den svage glød omkring det sorte hul på de fleste af billederne, som gjorde det muligt for os præcist at følge stjernen på dens bane, hvilket i sidste ende førte til detektering af tyngdepunktets rødskift i spektret af S2.”
Mens der er foretaget andre test, der har bekræftet Einsteins forudsigelser, er dette første gang, at virkningerne af generel relativitet ses i bevægelsen af en stjerne omkring et supermassivt sort hul. I denne henseende er Einstein blevet bevist endnu en gang ved hjælp af det hidtil mest ekstreme laboratorium! Derudover bekræftede det, at test, der involverer relativistiske effekter, kan give ensartede resultater over tid og rum.
”Her i solsystemet kan vi kun teste fysikkens love nu og under visse omstændigheder,” sagde Françoise Delplancke, leder af systemteknisk afdeling ved ESO. "Så det er meget vigtigt inden for astronomi at også kontrollere, at disse love stadig er gyldige, hvor tyngdefelterne er meget stærkere."
I den nærmeste fremtid vil en anden relativistisk test være mulig, når 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-samarbejdet overvåger S2 for også at observere denne effekt og igen stole på VLT's meget præcise og følsomme instrumenter.
Som Xavier Barcons (ESOs generaldirektør) antydede, blev denne gennemførelse muliggjort takket være ånden i det internationale samarbejde repræsenteret af GRAVITY-samarbejdet og de instrumenter, de hjalp ESO med at udvikle:
”ESO har samarbejdet med Reinhard Genzel og hans team og samarbejdspartnere i ESO-medlemslandene i over et kvart århundrede. Det var en kæmpe udfordring at udvikle de unikt kraftfulde instrumenter, der var nødvendige for at foretage disse meget delikate målinger og implementere 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-samarbejdets vellykkede test med tilladelse fra ESO:
