ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ ПОДТВЕРЖДАЕТ ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ЭЙНШТЕЙНА В ШИРОКОМ МАСШТАБЕ.
Последние 23 года Андреа Гез, профессор физики и астрономии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, собирает данные о звездах, которые вращаются вокруг черных дыр. Она обнаружила, что их движение дало возможность проверить основные законы физики. «Мы спросили, как гравитация ведет себя вблизи сверхмассивной черной дыры и рассказывает ли нам теория Эйнштейна полную историю». Общая теория относительности Эйнштейна 1915 года утверждает, что то, что мы воспринимаем как силу гравитации, возникает из искривления пространства и времени. «В ньютоновской версии гравитации пространство и время разделены и не смешиваются; при Эйнштейне они полностью смешались возле черной дыры », - сказала она. Исследование Геза является одним из самых детальных исследований, проведенных в области сверхмассивной черной дыры и общей теории относительности.
ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА звезда сталкивается с сверхмассивной черной дырой? Это дает астрономам шанс испытать Эйнштейна.
Посмотрев на то, как ведет себя звезда при вращении вокруг черной дыры,припаркованной в центре нашей галактики, ученые подтвердили, что интенсивное гравитационное поле объектатормозит свет звезд , вызывая заметную задержку в путешествии по космосу. Это измерение - лучший способ проверить ключевое предсказание общей теории относительности Эйнштейна , которая предполагает, что свет будет терять энергию, когда он пытается продвинуться через экстремальное гравитационное поле.
«Этот вид эксперимента является первым прямым испытанием того, как гравитация работает вблизи сверхмассивной черной дыры», - говорит Андреа Гез , астроном из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, чья команда сегодня публикует результаты в журнале Science . «Гравитация невероятно важна как с точки зрения нашего понимания вселенной, так и в нашей повседневной жизни».
Астрономы надеются когда-нибудь найти доказательства того, что общая теория относительности не работает в экстремальных гравитационных средах, поскольку это обеспечит окно в возможность новых типов физики, которые могут разрешить некоторые большие загадки в нашем понимании вселенной.
Однако сейчас кажется, что Эйнштейн снова прав, и что альтернативные теории гравитации, в том числе разработанные Исааком Ньютоном, исключены.
Массивный набор данных
Как описано в общей теории относительности, то, что мы воспринимаем как гравитацию, является результатом того, что масса объекта искривляет ткань пространства-времени. Теория также утверждает, что гравитация влияет даже на свет, и что очень массивные объекты деформируют любой движущийся вокруг них свет. Этот эффект наиболее ярко наблюдался во время солнечного затмения 1919 года, которое фактически сделало общую относительность основой науки. ( Узнайте результаты эксперимента, который сам Эйнштейн считал невозможным .)
Вот почему астрономы так взволнованы скоплением звезд, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики, монстром с массой в четыре миллиона солнц, который называется Стрелец A *, или сокращенно SgrA *. Этот синяк находится на расстоянии около 26 000 световых лет от Земли и прячется за завесой газа и пыли.
Звезду этого шоу называют S0-2, и она летит вокруг сверхмассивной черной дыры Млечного Пути, заканчивая овальную орбиту всего за 16 лет. При ближайшем подходе к Sgr A * звезда пронизывает пространство со скоростью около 15,5 миллионов миль в час, или почти на 3 процента скорости света.
«Эти вещи меняются на протяжении всей жизни человека», - говорит Гез. «Созвездия, которые мы видим, такие же, какие были там на протяжении всей истории человечества. Но в центре галактики, потому что вы находитесь в таком сильном гравитационном поле, звезды на самом деле движутся ».
Поскольку его орбита имеет овальную форму, S0-2 колеблется между тем, чтобы быть очень близко и довольно далеко от центральной черной дыры галактики. Гез и ее коллеги хотели изучить ближайший подход S0-2 к Стрельцу А *, что произошло совсем недавно в мае прошлого года. Так, в период с марта по сентябрь команда провела точные измерения движения звезды в космосе с помощью телескопа в Чили и на вершине вулкана Мауна-Кеа на Гавайях.
«Вам действительно нужно однозначно знать форму орбиты», - говорит Гез. «При ближайшем подходе, когда звезда испытывает сильнейшее гравитационное поле, именно тогда вы можете проверить теорию общей относительности Эйнштейна».
Ученые добавили эти новые данные в ряд наблюдений, собранных с 1995 года; в совокупности эта информация позволила им рассчитать всю орбиту S0-2 в трех измерениях.
Рад видеть красный
Чтобы проверить общую относительность, команда объединила измерения положения звезды в космосе с наблюдениями за ее движением вдоль линии обзора Земли, чтобы измерить эффект, называемый гравитационным красным смещением.
Проще говоря, когда S0-2 находится ближе всего к SgrA *, черная дыра действует как удар скорости, замедляя свет звезды, когда она уходит в космос. Эффект проявляется как растяжение света S0-2 в сторону менее энергичных, более красных длин волн.
«Гравитационное красное смещение фундаментально закодировано в спектроскопии», - говорит Гез, который отметил, что свет звезды S0-2 замедляется примерно на 125 миль в секунду - именно то, что уравнения Эйнштейна предсказывают для объекта с гравитационным уклоном SgrA *. В качестве бонуса, работа более точно фиксирует массу и расстояние SgrA *.
Ученые проверили общую относительность таким способом раньше. Более слабые гравитационные поля в нашей собственной солнечной системе и вокруг вращающихся трупов звезд, называемых пульсарами, имеют тот же эффект. Спутники глобального позиционирования должны постоянно приспосабливаться к релятивистским эффектам, вызванным гравитацией Земли, и без этих поправок навигация с использованием любого вида карт не будет работать.
Кроме того, команда GRAVITY, базирующаяся в немецком Институте внеземной физики им. Макса Планка, изучала галактический центр в течение десятилетий, и в прошлом году сотрудничество объявило, что оно обнаружило то же самое гравитационное красное смещение в свете S0-2, которое команда Ghez описала сегодня.
Два измерения совпадают, предполагая, что гравитация согласуется с теорией Эйнштейна, а не с ньютоновской моделью, но они отличаются в деталях. Гез подозревает, что систематические ошибки, вызванные инструментами и системами отсчета, объясняют различия, и она говорит, что, поскольку команды продолжают изучать галактический центр, будет все более важно устранять эти ошибки.
Фрэнк Эйзенгауэр , главный исследователь GRAVITY, говорит, что замечательно видеть эти новые независимые измерения и подтверждение гравитационного красного смещения. Для него результаты показывают, что сверхмассивный зверь в центре нашей галактики остается ключевой целью для расшифровки физики черных дыр и теории гравитации.
«Будущее исследований галактического центра светлое», - говорит он.
