През 1915 г. Алберт Айнщайн публикува известната си Теория на общата относителност, която предоставя единно описание на гравитацията като геометрично свойство на пространството и времето. Тази теория породи съвременната теория за гравитацията и революционизира нашето разбиране за физиката. Въпреки че е изминал век оттогава, учените все още провеждат експерименти, потвърждаващи прогнозите на неговата теория.
Благодарение на последните наблюдения, направени от екип международни астрономи (известни като колаборация GRAVITY), ефектите на общата относителност са разкрити с помощта на Супермасивна черна дупка (SMBH) за първи път. Тези констатации бяха кулминацията на 26-годишна кампания за наблюдения на SMBH в центъра на Млечния път (Стрелец A *), използвайки инструментите на Европейската южна обсерватория (ЕСО).
Проучването, което описва откритията на екипа, наскоро се появи в списанието Астрономия и астрофизика, озаглавен „Откриване на гравитационното червено изместване в орбитата на звездата S2 в близост до масивната черна дупка на Галактическия център“. Изследването беше ръководено от Роберто Арбуто от ESO и включваше членове от сътрудничеството GRAVITY - което се ръководи от Райнхард Гензел от Института за извънземна физика на Макс Планк (MPE) и включва астрономи от множество европейски университети и изследователски институти.
За целите на своето проучване екипът разчита на данни, събрани от изключително чувствителните и високоточни инструменти на VLT. Те включват инструмента за астрометрична и интерферометрия на GRAVITY, спектрографът за наблюдения на INtegral Field в близката инфрачервена (SINFONI) и инструмента за адаптивна оптична система на Nasmyth (NAOS) - инструмент за близо инфрачервено изображение и спектрограф (CONICA), които заедно са известни като NACO.
Новите инфрачервени наблюдения, събрани от тези инструменти, позволиха на екипа да наблюдава една от звездите (S2), която обикаля около Стрелец А *, докато минаваше пред черната дупка - която се проведе през май 2018 г. В най-близката точка на орбитата си , звездата беше на разстояние по-малко от 20 милиарда км (12,4 милиарда мили) от черната дупка и се движеше със скорост над 25 милиона км / ч (15 милиона мили / ч) - почти три процента от скоростта на светлината ,
Докато инструментът SINFONI е използван за измерване на скоростта на S2 към и извън Земята, инструментът GRAVITY в VLT интерферометър (VLTI) прави изключително прецизни измервания на променящото се положение на S2, за да определи формата на неговата орбита. След това инструментът GRAVITY създаде острите изображения, които разкриваха движението на звездата, когато преминаваше близо до черната дупка.
След това екипът сравнява измерванията на позицията и скоростта с предишни наблюдения на S2, използвайки други инструменти. След това те сравняват тези резултати с прогнозите, направени от закона на Нютон за универсално гравитация, обща относителност и други теории за гравитацията. Както се очакваше, новите резултати бяха в съответствие с прогнозите, направени от Айнщайн преди повече от век.
Както Райнхард Гензел, който освен че беше лидер на сътрудничеството в GRAVITY, беше съавтор на хартията, обясни в неотдавнашно съобщение за пресата на ESO:
„За втори път наблюдаваме близкия проход на S2 около черната дупка в нашия галактически център. Но този път поради много подобрена апаратура успяхме да наблюдаваме звездата с безпрецедентна резолюция. Ние се подготвяме интензивно за това събитие от няколко години, тъй като искахме да се възползваме максимално от тази уникална възможност да наблюдаваме общи релативистични ефекти. “
Когато се наблюдава с новите инструменти на VLT, екипът отбеляза ефект, наречен гравитационно червено изместване, при което светлината, идваща от S2, променя цвета си, когато се приближава към черната дупка. Това е причинено от много силното гравитационно поле на черната дупка, което разтегли дължината на вълната на светлината на звездата, което я накара да се измести към червения край на спектъра.
Промяната в дължината на вълната на светлината от S2 е точно в съответствие с прогнозираното от Айнщайн полево уравнение. Както Франк Айзенхауер - изследовател от Института за извънземна физика „Макс Планк“, главният изследовател на GRAVITY и спектрографа SINFONI, и съавтор на изследването - посочи:
“Първите ни наблюдения на S2 с GRAVITY преди около две години вече показаха, че ще имаме идеалната лаборатория за черна дупка. По време на близкия проход дори успяхме да открием слабото сияние около черната дупка на повечето изображения, което ни позволи да следваме точно звездата по нейната орбита, което в крайна сметка води до откриване на гравитационното червено изместване в спектъра на S2.”
Докато са проведени други тестове, които потвърждават прогнозите на Айнщайн, това е първият път, когато ефектите на общата относителност са наблюдавани при движението на звезда около свръхмасивна черна дупка. В това отношение Айнщайн е доказан за пореден път, използвайки една от най-екстремните лаборатории до момента! Нещо повече, той потвърди, че тестовете, включващи релативистични ефекти, могат да осигурят постоянни резултати във времето и пространството.
„Тук в Слънчевата система можем само да тестваме законите на физиката сега и при определени обстоятелства“, казва Франсоаз Делпланкке, ръководител на отдела за системно инженерство в ESO. „Така че в астрономията е много важно да се провери дали тези закони все още са валидни там, където гравитационните полета са много по-силни.“
В близко бъдеще ще е възможно още едно релативистично изпитание, тъй като S2 се отдалечава от черната дупка. Това е известно като прецесия на Шварцшилд, където се очаква звездата да изпита малко въртене в орбитата си. Сътрудничеството на GRAVITY ще следи S2, за да наблюдава и този ефект, като отново разчита на много прецизните и чувствителни инструменти на VLT.
Както Xavier Barcons (генералният директор на ESO) посочи, това постижение стана възможно благодарение на духа на международното сътрудничество, представено от сътрудничеството GRAVITY и инструментите, които помогнаха на ESO да се развие:
„ЕСО работи с Райнхард Гензел и неговия екип и сътрудници в държавите-членки на ЕСО повече от четвърт век. Беше огромно предизвикателство да разработя уникално мощните инструменти, необходими за извършването на тези много деликатни измервания и за тяхното внедряване на VLT в Паранал. Обявеното днес откритие е много вълнуващият резултат от забележително партньорство. "
И не забравяйте да разгледате този видеоклип на успешния тест на GRAVITY Collaboration, с любезното съдействие на ЕСО:
