В центре галактики Млечный путь, на расстоянии почти 26 000 световых лет, скопление звезд кружится рядом со сверхмассивной черной дырой, известной как Стрелец A *. По мере того как эти несколько десятков звезд, называемых S-звездами, приближаются к черной дыре, которая примерно в четыре миллиона раз массивнее Солнца, ее огромная гравитационная сила разворачивает их быстрее, чем 16 миллионов миль в час. Фактически, гравитационное притяжение Стрельца А * настолько интенсивно, что оно искажает свет от этих звезд, когда они отклоняются слишком близко, растягивая длины волн в направлении красной части электромагнитного спектра.
Одна звезда, в частности, S0-2, настолько близко подходит к Стрельцу А *, что астрономы считают ее одной из лучших естественных лабораторий для проверки пределов нашей фундаментальной теории гравитации: общей теории относительности Эйнштейна.
В течение более двух десятилетий астрофизики отслеживали движения S0-2, чтобы лучше понять работу гравитации и проверить теорию Эйнштейна. Исследуя положение звезды и измеряя спектр ее света, исследователи надеются определить, соответствует ли орбита S0-2 вокруг черной дыры траектории, предсказанной общей теорией относительности. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science, международная группа астрономов сообщает, что поведение звезды согласуется с теорией гравитации Эйнштейна, подтверждая, что общая теория относительности все еще сохраняется в области, окружающей сверхмассивную черную дыру - по крайней мере, на данный момент.
«Вы хотите испытать теорию настолько экстремально, насколько это возможно в окружающей среде ... чтобы существенно продвинуть теорию сильнее, чем мы могли бы прогнозировать», - говорит Туан До, ученый из UCLA, специализирующийся на галактическом центре и ведущий автор исследования.,
Изображение орбит звезд вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Выделена орбита звезды S0-2. Это первая звезда, у которой достаточно измерений для проверки общей теории относительности Эйнштейна вокруг сверхмассивной черной дыры. (Keck / UCLA Галактический Центр Группа) Общая теория относительности Эйнштейна описывает три измерения пространства и одно измерение времени как неотъемлемо связанные в «ткани» пространства-времени. Массивные объекты, такие как звезды и черные дыры, деформируют эту ткань, чтобы растянуть расстояния и замедлить время, притягивая к ним окружающие объекты. Мы воспринимаем этот эффект как гравитацию - яблоко, падающее с дерева. Но свет также подвержен влиянию гравитационных сил, изгибающихся при движении по искривленному пространству-времени вокруг массивного объекта.
Согласно общей теории относительности, сверхмассивные черные дыры, такие как Стрелец A *, создают большую кривую в пространстве-времени, создавая чрезвычайно сильное гравитационное поле. Когда звезда приближается к такой черной дыре, фотоны испускаемого света попадают в поле, и свет, который уходит и попадает на Землю, должен вылезти из гравитационного колодца черной дыры. В результате наблюдаемый свет имеет более низкую энергию - более низкую частоту и большую длину волны - создавая более красный спектр. Ученые сравнивают общие предсказания относительности этого эффекта, называемого гравитационным красным смещением, с измеренными длинами волн падающего света от звезд, таких как S0-2, чтобы проверить, верна ли теория.
Однако ряд красных факторов, помимо гравитации, может влиять на красное смещение, в том числе если объект движется в сторону или к наблюдателю. «Суть вопроса в том, можете ли вы достаточно хорошо измерить все эти другие эффекты, чтобы с уверенностью сказать, что то, что вы видите, - это гравитационное красное смещение, а не просто какой-то другой способ, которым вы можете в основном настроить орбиту звезда », - говорит До.
S0-2 орбит Стрельца А * каждые 16 лет. В мае 2018 года она достигла своей ближайшей точки к черной дыре, преодолев 120 астрономических единиц (чуть более 11 миллиардов миль) и путешествуя со скоростью чуть менее трех процентов скорости света (около 18 миллионов миль в час). В это время эффект красного смещения особенно заметен, поскольку гравитационное притяжение Стрельца A * становится сильнее, когда звезда приближается. В марте и сентябре того же года звезда также достигла точек максимальной и минимальной лучевой скорости, соответственно, что означает, что она движется быстрее и медленнее по отношению к наблюдателю на Земле. Сигналы красного смещения от этих трех событий имеют решающее значение для картирования формы орбиты звезды, где влияние гравитации является наиболее экстремальным.
«Сигнал красного смещения является самым сильным в точке ближайшего приближения, потому что он ближе всего к черной дыре, но это не то, где его легче всего измерить, потому что то, к чему мы действительно чувствительны… это изменения в относительной скорости, так что вы хотите поймать ее на поднимающейся и опускающейся стороне этого сигнала », - говорит До.
Когда звезда S0-2 приближается к черной дыре в центре нашей галактики, ее свет растягивается в более красные части электромагнитного спектра, явление, предсказанное общей теорией относительности Эйнштейна. (Николь Р. Фуллер / Национальный научный фонд) Сверхмассивные черные дыры - загадочные площадки для тестирования физики, потому что они не вписываются в современные доминирующие теории. «Черные дыры и очень массивны, и чрезвычайно компактны, так что это своего рода столкновение общей теории относительности и квантовой механики», - говорит До. В то время как квантовая механика описывает самые маленькие частицы в нашей вселенной - области, где гравитацию обычно можно игнорировать, - общая теория относительности имеет дело с массивными объектами, которые имеют огромные гравитационные поля. Некоторые физики ожидают, что эти две теории придут к голове в самом центре черной дыры, где, как считается, огромная масса содержится в бесконечно малом объеме, точке, известной как гравитационная сингулярность.
«Практически все попытки понять гравитацию на квантовом уровне и понять, как она соотносится с другими силами природы, указывают на то, что общая теория относительности является неполной и должна каким-то образом разрушаться или отклоняться, а сильная гравитация - то, где это могло бы произойти. », - говорит Клиффорд Джонсон, физик-теоретик из Университета Южной Калифорнии, который не принимал участия в исследовании, по электронной почте. «Окрестности черных дыр, больших и малых, все больше становятся ареной наблюдений для сильной гравитации… где у нас есть шанс увидеть, где общая относительность рушится, [и] если это произойдет, возможно, раскрыв физику нашей вселенной, и больше о природе пространства и времени ».
Исследовательская группа использовала комбинацию телескопа и спектроскопии, чтобы нанести на карту орбиту S0-2. Поскольку атмосфера вокруг Земли всегда движется, размывая наше представление о небе, они использовали адаптивную оптику и технику, называемую спекл-изображения, для получения четкого изображения - по сути, они использовали гибкое зеркало, искаженное тысячи раз в секунду с помощью исполнительных механизмов, и сделал снимки неба, чтобы исправить атмосферное размытие.
«Атмосфера Земли отличная для людей, но плохая для астрономии. ... Это все равно, что смотреть на гальку под рекой, и вы пытаетесь измерить положение гальки », - говорит До. «По сути, мы пытаемся убрать мерцание звезд».
Лазеры двух телескопов Кека распространялись в направлении центра галактики. Каждый лазер создает искусственную звезду, которую можно использовать для коррекции размытия из-за атмосферы Земли. (Этан Твиди) Исследователи проследили орбиту для S0-2 и сравнили ее с предсказаниями из общей модели относительности и более простой модели ньютоновской физики. Команда обнаружила, что звезда движется почти на 450 тысяч миль в час быстрее, чем предсказывает ньютоновская гравитация, и что модель общей теории относительности имеет в 43 тысячи раз больше шансов объяснить свои наблюдения.
«Общая теория относительности Эйнштейна в очередной раз доказывает свою правоту с точностью измерений», - говорит Никодем Поплавски, математик и физик из Университета Нью-Хейвена, который не участвовал в новом исследовании. Он также указывает, что результаты подтверждают существование черных дыр, описываемых общей теорией относительности. «В дополнение к тому, что наблюдалось в апреле на первой картине черной дыры, теперь у нас есть еще одно свидетельство того, что внутри нашего Млечного пути находится сверхмассивная черная дыра».
Аналогичная работа, о которой сообщалось в прошлом году, также утверждала, что орбита S0-2 следовала предсказаниям общей теории относительности. Тем не менее, эти новые результаты добавляют дополнительное свидетельство из дополнительных трех месяцев данных, полученных, когда звезда была ближе всего к Стрельцу А *, а сигнал красного смещения был самым сильным, включая решающее третье событие на орбите в сентябре прошлого года.
«Возможность измерения общей теории относительности в галактическом центре существует уже около десяти лет», - говорит До. «Сказать, что мы наконец-то можем это сделать - для меня это сигнал начала эры еще большего количества испытаний гравитации вокруг центра галактики и открывает множество возможностей для более широкой науки вокруг сверхмассивной черной дыры». Двигаясь вперед, Исследовательская группа продолжит отслеживать движения S-звезд, углубляясь в загадки черных дыр и физику, управляющую нашей вселенной.
