В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою знаменитую Теорию общей теории относительности, которая дала единое описание гравитации как геометрического свойства пространства и времени. Эта теория породила современную теорию гравитации и произвела революцию в нашем понимании физики. Хотя с тех пор прошло столетие, ученые все еще проводят эксперименты, которые подтверждают предсказания его теории.
Благодаря недавним наблюдениям, сделанным командой международных астрономов (известной как GRAVITY), эффекты Общей Относительности были обнаружены с использованием Сверхмассивной Чёрной Дыры (SMBH) в первый раз. Эти результаты стали кульминацией 26-летней кампании наблюдений за SMBH в центре Млечного Пути (Стрелец A *) с использованием инструментов Европейской Южной Обсерватории (ESO).
Исследование, которое описывает выводы команды, недавно появилось в журнале Астрономия и Астрофизикапод названием «Обнаружение гравитационного красного смещения на орбите звезды S2 вблизи массивной черной дыры центра Галактики». Исследование проводилось под руководством Роберто Арбуто из ESO, и в него вошли члены коллаборации GRAVITY, возглавляемой Рейнхардом Гензелем из Института внеземной физики Макса Планка (MPE) и включающей астрономов из нескольких европейских университетов и исследовательских институтов.
Ради своего исследования команда опиралась на данные, собранные чрезвычайно чувствительными и высокоточными приборами VLT. В их число входили астрометрический и интерферометрический инструмент GRAVITY, спектрограф для интегральных полевых наблюдений в ближней инфракрасной области (SINFONI) и система адаптивной оптической системы Nasmyth (NAOS) - тепловизор и спектрограф ближней инфракрасной области (CONICA), которые вместе известны как НОКС.
Новые инфракрасные наблюдения, собранные этими инструментами, позволили команде наблюдать за одной из звезд (S2), которая вращается вокруг Стрельца A *, проходящего перед черной дырой - что имело место в мае 2018 года. В ближайшей точке на ее орбите звезда находилась на расстоянии менее 20 млрд км (12,4 млрд миль) от черной дыры и двигалась со скоростью, превышающей 25 млн км / ч (15 млн миль в час) - почти три процента скорости света ,
Принимая во внимание, что прибор SINFONI использовался для измерения скорости S2 к Земле и от Земли, прибор GRAVITY в интерферометре VLT (VLTI) произвел чрезвычайно точные измерения изменения положения S2, чтобы определить форму его орбиты. Инструмент GRAVITY затем создал резкие изображения, которые показали движение звезды, когда она проходила близко к черной дыре.
Затем команда сравнила измерения положения и скорости с предыдущими наблюдениями S2 с использованием других инструментов. Затем они сравнили эти результаты с предсказаниями, сделанными законом всеобщей гравитации Ньютона, общей теории относительности и другими теориями гравитации. Как и ожидалось, новые результаты соответствовали прогнозам, сделанным Эйнштейном более века назад.
Как Рейнхард Гензел, который помимо того, что был лидером сотрудничества GRAVITY, был соавтором статьи, объяснил в недавнем пресс-релизе ESO:
«Это второй раз, когда мы наблюдали близкое прохождение S2 вокруг черной дыры в нашем галактическом центре. Но на этот раз, благодаря значительно усовершенствованным инструментам, мы смогли наблюдать звезду с беспрецедентным разрешением. Мы интенсивно готовились к этому событию в течение нескольких лет, поскольку мы хотели максимально использовать эту уникальную возможность наблюдать общие релятивистские эффекты ».
При наблюдении с новыми инструментами VLT команда заметила эффект, называемый гравитационным красным смещением, когда свет, исходящий от S2, менял цвет по мере приближения к черной дыре. Это было вызвано очень сильным гравитационным полем черной дыры, которое растягивало длину волны света звезды, заставляя ее смещаться к красному концу спектра.
Изменение длины волны света от S2 точно соответствует предсказанию уравнения поля Эйнштейна. Фрэнк Эйзенгауэр - исследователь из Института внеземной физики им. Макса Планка, главный исследователь GRAVITY и спектрограф SINFONI и соавтор исследования - указал:
“Наши первые наблюдения S2 с помощью GRAVITY около двух лет назад уже показали, что у нас будет идеальная лаборатория для черной дыры. Во время близкого прохода мы могли даже обнаружить слабое свечение вокруг черной дыры на большинстве изображений, что позволило нам точно следовать за звездой на ее орбите, что в конечном итоге привело к обнаружению гравитационного красного смещения в спектре S2.”
Принимая во внимание, что были проведены другие тесты, которые подтвердили предсказания Эйнштейна, это первый раз, когда эффекты общей теории относительности наблюдались при движении звезды вокруг сверхмассивной черной дыры. В этом отношении Эйнштейн снова оказался прав, используя одну из самых экстремальных лабораторий на сегодняшний день! Более того, он подтвердил, что тесты, включающие релятивистские эффекты, могут обеспечить согласованные результаты во времени и пространстве.
«Здесь, в Солнечной системе, мы можем проверять законы физики только сейчас и при определенных обстоятельствах», - сказал Франсуаза Дельпланке, руководитель отдела системной инженерии в ESO. «Поэтому в астрономии очень важно также проверить, что эти законы все еще действуют там, где гравитационные поля намного сильнее».
В ближайшем будущем возможен еще один релятивистский тест, когда S2 удаляется от черной дыры. Это известно как прецессия Шварцшильда, где звезда должна испытать небольшое вращение на своей орбите. GRAVITY Collaboration будет контролировать S2, чтобы также наблюдать этот эффект, еще раз полагаясь на очень точные и чувствительные инструменты VLT.
Как отметил Ксавье Барконс (Генеральный директор ESO), это достижение стало возможным благодаря духу международного сотрудничества, представленному сотрудничеством GRAVITY, и инструментам, которые они помогли ESO разработать:
«ESO работает с Рейнхардом Гензелем и его командой и сотрудниками в государствах-членах ESO более четверти века. Это была огромная задача - разработать уникально мощные инструменты, необходимые для проведения этих очень деликатных измерений, и развернуть их в VLT в Паранале. Открытие, объявленное сегодня, является очень волнующим результатом замечательного партнерства ».
И обязательно посмотрите это видео об успешном тестировании GRAVITY Collaboration, предоставленное ESO:
