Звезда, вращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры в нашей галактике, предоставила уникальную возможность проверить теорию относительности.
Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути - самый экстремальный астрофизический объект, расположенный в пределах миллиона световых лет от Земли. Приблизительно в четыре миллиона солнечных масс это самая большая черная дыра в нашей галактике и вторая по величине после Андромеды во всей Местной группе. Если ваша цель состоит в том, чтобы исследовать общую теорию относительности Эйнштейна более строго, чем когда-либо прежде, окружающая среда вокруг этой черной дыры является лучшим испытательным полигоном, предоставленным природой.
С 1995 года группа астрономов во главе с Андреа Гез из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе изучает орбиты звезд вблизи галактического центра. С течением времени их инструменты и методы наблюдения совершенствовались. В 2018 году ближайшая к нашей сверхмассивной черной дыре звезда S0-2 на орбите подошла ближе всего, достигнув скорости 2,7% скорости света. Потрясающий новый результат подтвердил теорию Эйнштейна как никогда прежде. Вот как.
Сам галактический центр чрезвычайно трудно наблюдать. Находясь на расстоянии 25 000 световых лет от нас, наблюдатели на Земле должны смотреть прямо через плоскость Млечного Пути, чтобы визуально измерить центральную область галактики, что чрезвычайно сложно из-за присутствия межзвездной пыли. Этот промежуточный материал можно увидеть как темные полосы, разбросанные по Млечному Пути, даже невооруженным глазом.
Однако эти пылинки имеют конечный размер, и хотя видимый свет легко ими поглощается, свет с большей длиной волны может беспрепятственно проходить сквозь эту пыль. Если мы посмотрим в инфракрасном свете, нам внезапно откроется вид на галактический центр, и мы даже сможем увидеть движение отдельных звезд. Когда мы исследуем галактический центр, мы видим, что все они вращаются по эллиптической орбите вокруг одной точки, которая не излучает свет: сверхмассивной черной дыры нашей галактики.
Несмотря на то, что в течение десятилетий у нас были большие наземные телескопы с инфракрасными приборами, огромная плотность звезд вблизи галактического центра делала их решение невыполнимой задачей. Только с помощью двойных методов спекл-интерферометрии и адаптивной оптики стали открываться сами звезды.
Атмосфера сама по себе создает эффекты, искажающие свет, попадающий в оптику любого телескопа, от турбулентного потока воздуха до молекул, поглощающих или преломляющих свет, до заряженных частиц, воздействующих на свет в зависимости от его поляризации. Делая большое количество очень коротких экспозиций, можно значительно уменьшить изменяющиеся во времени эффекты турбулентности, превращая точечный источник, который кажется пестрым месивом, обратно в точечный источник. Компьютерная обработка, необходимая для воплощения в жизнь этого метода спекл-интерферометрии, была непомерно высокой на протяжении большей части 1970-х и 80-х годов, но к началу 2000-х стала рутинной.
Второе достижение в области адаптивной оптики продвинуло нас еще дальше. В принципе, разрешение телескопа ограничено только количеством длин волн света, которые могут пройти через его главное зеркало. Сделайте свое зеркало в два раза больше или длину световой волны в два раза меньше, и вы удвоите свое разрешение. В космосе это проще простого, но в атмосфере искажения означают, что практически вы никогда не достигнете такого идеального разрешения.
Адаптивная оптика меняет все это. Разделив или сделав копию входящего света, вы можете взять одну копию и задержать ее, в то время как другая используется в сочетании с известным точечным источником для расчета эффектов атмосферы и формы зеркала, необходимой для устранения искажений. этот свет. Затем адаптируя зеркало к правильной форме, необходимой для восстановления света до его доатмосферных эффектов, другая копия ударяет по адаптивному зеркалу, создавая наземное изображение с космическим качеством.
Эти методы существуют уже несколько десятилетий, но в 21 веке они претерпели значительные улучшения. Наряду с ними были построены новые инструменты для извлечения еще большего количества данных более высокого качества из собранного света.
Группе Гез из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе впервые удалось получить изображения, разрешить и точно определить положения слабых отдельных звезд в центре галактики, начиная с 1995 года. Первоначально было видно лишь несколько звезд, но затем время шло, все больше и больше звезд становилось видимым и доступным для отслеживания. Когда группа Гез начала собирать более качественные данные, они сделали вывод о необходимой массе, необходимой для создания этих орбит: черная дыра примерно в 4 миллиона солнечных масс. В качестве еще большего блага они начали замечать, что несколько звезд проходят очень близко к сверхмассивной черной дыре, открывая невероятную возможность.
Ближайшая из всех звезд была одной из самых ранних, обнаруженных группой Гез при исследовании галактического центра: S0-2. (Это примерно из 100 разрешенных звезд в галактическом центре в целом.) Ближайшая S0-2 находится всего в 18 миллиардах километров от горизонта событий Стрельца A, что лишь примерно в два раза превышает диаметр орбиты Нептуна вокруг солнце.
Первое близкое сближение S0-2 со Стрельцом A произошло в 2002 году, когда технология еще быстро совершенствовалась. Но имея всего 16-летнюю орбиту, астрономы уже начали планировать следующее крупное событие: в мае 2018 года. Во время наибольшего сближения S0-2 будет двигаться с максимальной скоростью: примерно 2,7% скорости света. Но что было бы еще более значительным, так это эффекты сильно искривленного пространства вокруг черной дыры, что приводит к ряду захватывающих эффектов в общей теории относительности.
Возможно, самым большим предсказанием, которое будет проверено в этих экстремальных условиях, является гравитационное красное смещение: идея о том, что фотонам, испускаемым глубоко внутри гравитационного потенциального колодца, придется терять энергию, чтобы покинуть эту область. значительно искривленного пространства. Общая теория относительности делает очень конкретные предсказания, основанные на кривизне пространства в области, где находится материя, относительно того, насколько значительно свет, излучаемый объектом, должен систематически смещаться в сторону более длинных волн и более низких энергий.
При таких очень больших скоростях и с определенной ориентацией по отношению к нашему лучу зрения ученым потребуется объединить как специальные релятивистские эффекты, связанные с движением звезды, так и общий релятивистский эффект искривленного пространства. чтобы извлечь предсказания для красного смещения, которые они измерили бы в критическое время.
Но гравитационное красное смещение - не единственное предсказание теории относительности, которую проверит это близкое сближение S0-2 со Стрельцом A. Кроме того, быстро движущаяся звезда, движущаяся через это сильно искривленное пространство, должна получить небольшой толчок на своей орбите.
Подобно тому, как перигелий Меркурия прецессирует вокруг Солнца в соответствии с общей теорией относительности, S0-2 должен прецессировать вокруг этой сверхмассивной черной дыры, но с гораздо большим эффектом. В ньютоновской гравитации, например, масса, подобная S0-2, должна образовывать на своей орбите вокруг черной дыры идеально замкнутый эллипс, тогда как в эйнштейновской гравитации должно происходить измеримое изменение формы этого эллипса после близкого прохождения мимо звезды. черная дыра.
В прошлом году коллаборация GRAVITY с помощью нового ультрасовременного интерферометра на борту Очень Большого Телескопа, специализирующегося на наблюдениях в ближнем инфракрасном диапазоне, смогла измерить эффект гравитационного красного смещения это несовместимо только с ньютоновской динамикой. С последующими улучшенными данными ученые надеялись не только еще больше дискредитировать теорию Ньютона в релятивистском режиме, но и подвергнуть Эйнштейна совершенно новому, беспрецедентному испытанию.
Ну, группа Гез сделала это.
В ходе наблюдательной кампании, проводившейся за последние 25 лет, они добавили серию измерений, проведенных с марта по сентябрь 2018 года, к существующим данным за 1995-2017 годы, включая момент наибольшего сближения. в мае 2018 года. Их результаты, опубликованные сегодня в журнале Science, дают три совершенно новых результата.
Во-первых, было измерено гравитационное красное смещение S0-2, и было обнаружено, что оно согласуется с предсказаниями Эйнштейна с погрешностью в 1 сигма, в то время как результаты Ньютона были исключены при значимости более 5 сигм. Это само по себе является золотым стандартом подтверждения общей теории относительности Эйнштейна в совершенно новом режиме.
Но это также дает наиболее точное определение массы и расстояния до Стрельца А: черной дыры в центре Млечного Пути. Новые оценки таковы:
- Mass=3 946 000 солнечных масс с погрешностью 1,3% и
- на расстоянии 7 946 парсеков (25 900 световых лет) с погрешностью всего 0,7%.
Это самые большие знания, которые мы когда-либо имели об теории относительности, нашем галактическом центре и звездах, которые вращаются в сильно искривленных пространствах.
Самая интересная часть этого результата заключается в том, что он ясно демонстрирует чисто общий релятивистский эффект гравитационного красного смещения. Наблюдения S0-2 демонстрируют точное соответствие с предсказаниями Эйнштейна в пределах погрешностей измерений. Когда Эйнштейн впервые задумал общую теорию относительности, он сделал это концептуально: с идеей, что ускорение и гравитация неразличимы для наблюдателя.
Подтвердив правильность предсказаний Эйнштейна относительно орбиты этой звезды вокруг черной дыры в центре галактики, ученые подтвердили принцип эквивалентности, тем самым исключив или ограничив альтернативные теории гравитации, которые нарушают этот краеугольный камень эйнштейновской гравитации. Гравитационные красные смещения никогда не измерялись в средах с такой сильной гравитацией, что знаменует собой еще одну первую и еще одну победу Эйнштейна. Даже в самой сильной окружающей среде, когда-либо исследованной, предсказания общей теории относительности еще не ввели нас в заблуждение.