I 1915 publiserte Albert Einstein sin berømte teori om generell relativitet, som ga en enhetlig beskrivelse av tyngdekraften som en geometrisk egenskap av rom og tid. Denne teorien ga opphav til den moderne gravitasjonsteorien og revolusjonerte vår forståelse av fysikk. Selv om det har gått et århundre siden den gang, gjennomfører forskere fortsatt eksperimenter som bekrefter hans teoris forutsigelser.
Takket være nylige observasjoner gjort av et team av internasjonale astronomer (kjent som GRAVITY-samarbeidet), har effekten av General Relativity blitt avslørt ved hjelp av et Supermassive Black Hole (SMBH) for aller første gang. Disse funnene var kulminasjonen av en 26 år lang kampanje med observasjoner av SMBH i sentrum av Melkeveien (Skytten A *) ved bruk av European Southern Observatory (ESO) instrumenter.
Studien som beskriver teamets funn nylig ble vist i journalen Astronomi og astrofysikk, med tittelen “Deteksjon av gravitasjonsrødskiftet i bane til stjernen S2 nær det galaktiske sentrums store sorte hullet”. Studien ble ledet av Roberto Arbuto fra ESO og inkluderte medlemmer fra GRAVITY-samarbeidet - som ledes av Reinhard Genzel fra Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) og inkluderer astronomer fra flere europeiske universiteter og forskningsinstitutter.
For studiens skyld stolte teamet på data samlet av VLTs ekstremt følsomme og høypresisjonsinstrumenter. Disse inkluderer instrumentet GRAVITY astrometrisk og interferometri, Spektrografen for INTegrale feltobservasjoner i instrumentet Near Infrared (SINFONI), og Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) instrument, som sammen er kjent som NACO.
De nye infrarøde observasjonene som ble samlet inn av disse instrumentene, gjorde det mulig for teamet å overvåke en av stjernene (S2) som går i bane rundt Skytten A * da det passerte foran det svarte hullet - som fant sted i mai 2018. På det nærmeste punktet i sin bane , var stjernen i en avstand på under 20 milliarder km (12,4 milliarder km) fra det sorte hullet og beveget seg med en hastighet på over 25 millioner km / t (15 millioner km / h) - nesten tre prosent av lysets hastighet .
Mens SINFONI-instrumentet ble brukt til å måle hastigheten til S2 mot og bort fra Jorden, foretok GRAVITY-instrumentet i VLT-interferometer (VLTI) ekstra presise målinger av den endrede posisjonen til S2 for å definere formen på bane. GRAVITY-instrumentet skapte deretter de skarpe bildene som avslørte stjernens bevegelse da den passerte nær det svarte hullet.
Teamet sammenlignet deretter målinger av posisjon og hastighet med tidligere observasjoner av S2 ved bruk av andre instrumenter. De sammenliknet deretter disse resultatene med spådommer laget av Newtons lov om universell gravitasjon, generell relativitet og andre gravitasjonsteorier. Som forventet var de nye resultatene i samsvar med spådommene fra Einstein for over hundre år siden.
Som Reinhard Genzel, som i tillegg til å være leder for GRAVITY-samarbeidet var medforfatter på papiret, forklarte i en fersk pressemelding fra ESO:
Dette er andre gang vi har observert den tette passasjen til S2 rundt det sorte hullet i vårt galaktiske sentrum. Men denne gangen, på grunn av mye forbedret instrumentering, klarte vi å observere stjernen med enestående oppløsning. Vi har forberedt oss intenst på denne begivenheten over flere år, da vi ønsket å utnytte denne unike muligheten til å observere generelle relativistiske effekter. ”
Når det ble observert med VLTs nye instrumenter, bemerket teamet en effekt som kalles gravitasjonsrødskift, der lyset fra S2 endret farge da det trakk seg nærmere det sorte hullet. Dette var forårsaket av det meget sterke tyngdekraftsfeltet til det sorte hullet, som strakk bølgelengden til stjernens lys, og fikk det til å forskyve seg mot den røde enden av spekteret.
Endringen i lysets bølgelengde fra S2 stemmer nøyaktig med det Einsteins feltligning forutså. Som Frank Eisenhauer - en forsker fra Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, den viktigste etterforskeren av GRAVITY og SINFONI spektrograf, og en medforfatter på studien - indikerte:
“Våre første observasjoner av S2 med GRAVITY, for omtrent to år siden, viste allerede at vi ville ha det ideelle svart hulllaboratoriet. Under den nære passasjen kunne vi til og med oppdage den svake gløden rundt det sorte hullet på de fleste av bildene, noe som gjorde at vi nøyaktig kunne følge stjernen på bane, og til slutt føre til deteksjon av gravitasjonsrødskiftet i spekteret til S2.”
Mens andre tester er utført som har bekreftet Einsteins spådommer, er dette første gang effekten av generell relativitet blir observert i bevegelsen til en stjerne rundt et supermassivt svart hull. I denne forbindelse har Einstein blitt bevist riktig nok en gang ved å bruke det hittil mest ekstreme laboratorium! Dessuten bekreftet det at tester som involverer relativistiske effekter kan gi konsistente resultater over tid og rom.
"Her i solsystemet kan vi bare teste fysikkens lover nå og under visse omstendigheter," sa Françoise Delplancke, leder for systemteknisk avdeling ved ESO. "Så det er veldig viktig i astronomi å også sjekke at disse lovene fremdeles er gyldige der tyngdefeltene er veldig mye sterkere."
I nær fremtid vil en annen relativistisk test være mulig når S2 beveger seg bort fra det sorte hullet. Dette er kjent som en Schwarzschild-presesjon, der stjernen forventes å oppleve en liten rotasjon i sin bane. GRAVITY Collaboration vil overvåke S2 for også å observere denne effekten, og igjen stole på VLTs veldig presise og sensitive instrumenter.
Som Xavier Barcons (ESOs generaldirektør) antydet, ble denne bragden muliggjort takket være ånden i internasjonalt samarbeid representert av GRAVITY-samarbeidet og instrumentene de hjalp ESO med å utvikle:
“ESO har jobbet med Reinhard Genzel og hans team og samarbeidspartnere i ESO-landene i over et kvart århundre. Det var en enorm utfordring å utvikle de unike kraftige instrumentene som trengs for å gjøre disse veldig delikate målingene og distribuere dem på VLT i Paranal. Oppdagelsen som ble kunngjort i dag, er det veldig spennende resultatet av et bemerkelsesverdig partnerskap. ”
Og husk å sjekke ut denne videoen av den vellykkede testen til GRAVITY Collaboration, med tillatelse av ESO:
