År 1915 publicerade Albert Einstein sin berömda teori om generell relativitet, som gav en enhetlig beskrivning av tyngdkraften som en geometrisk egenskap för rum och tid. Denna teori gav upphov till den moderna gravitationsteorin och revolutionerade vår förståelse av fysik. Även om ett århundrade har gått sedan dess gör forskare fortfarande experiment som bekräftar hans teoris förutsägelser.
Tack vare de senaste observationerna gjorda av ett team av internationella astronomer (känd som GRAVITY-samarbetet) har effekterna av General Relativity avslöjats med hjälp av ett Supermassive Black Hole (SMBH) för första gången. Dessa fynd var kulminationen på en 26-årig kampanj av observationer av SMBH i mitten av Vintergatan (Skytten A *) med hjälp av European Southern Observatory´s (ESO) instrument.
Studien som beskriver teamets resultat nyligen dök upp i tidskriften Astronomi och astrofysik, med titeln "Upptäckt av gravitationsrödskiftet i banan för stjärnan S2 nära det galaktiska centrumets massiva svarta hål". Studien leddes av Roberto Arbuto från ESO och inkluderade medlemmar från GRAVITY-samarbetet - som leds av Reinhard Genzel från Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) och inkluderar astronomer från flera europeiska universitet och forskningsinstitut.
För studiens skull förlitade teamet sig på data som samlats in av VLT: s extremt känsliga och högprecisionsinstrument. Dessa inkluderade GRAVITY-astrometriska och interferometriinstrumentet, Spektrografen för INTegrala fältobservationer i instrumentet Near Infrared (SINFONI) och Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) instrument, som tillsammans är kända som NACO.
De nya infraröda observationerna som samlats in av dessa instrument gjorde det möjligt för teamet att övervaka en av stjärnorna (S2) som kretsar om Skytten A * när det passerade framför det svarta hålet - som ägde rum i maj 2018. På den närmaste punkten i sin omloppsbana , stjärnan befann sig på ett avstånd av mindre än 20 miljarder km (12,4 miljarder mi) från det svarta hålet och rörde sig med en hastighet över 25 miljoner km / h (15 miljoner km / h) - nästan tre procent av ljusets hastighet .
Medan SINFONI-instrumentet användes för att mäta hastigheten på S2 mot och bort från jorden, gjorde GRAVITY-instrumentet i VLT-interferometern (VLTI) extremt exakta mätningar av den ändrade positionen för S2 för att definiera formen på dess bana. GRAVITY-instrumentet skapade sedan de skarpa bilderna som avslöjade stjärnans rörelse när den passerade nära det svarta hålet.
Teamet jämförde sedan positions- och hastighetsmätningarna med tidigare observationer av S2 med andra instrument. De jämförde sedan dessa resultat med förutsägelser gjorda av Newtons Law of Universal Gravitation, General Relativity och andra gravitationsteorier. Som förväntat stämde de nya resultaten överens med förutsägelserna från Einstein för över ett sekel sedan.
Som Reinhard Genzel, som förutom att vara ledare för GRAVITY-samarbetet var medförfattare på papper, förklarade i ett nyligen pressmeddelande från ESO:
”Det här är andra gången vi observerar den nära passagen av S2 runt det svarta hålet i vårt galaktiska centrum. Men denna gång, på grund av mycket förbättrad instrumentering, kunde vi observera stjärnan med en aldrig tidigare skådad upplösning. Vi har förberett oss intensivt på denna händelse under flera år, eftersom vi ville utnyttja denna unika möjlighet att observera allmänna relativistiska effekter. ”
När det observerades med VLT: s nya instrument noterade teamet en effekt som kallas gravitationsrödförskjutning, där ljuset från S2 ändrade färg när det närmade sig det svarta hålet. Detta orsakades av det mycket starka gravitationsfältet i det svarta hålet, som sträckte våglängden för stjärnljuset, vilket fick den att flytta sig mot den röda änden av spektrumet.
Förändringen i ljusets våglängd från S2 överensstämmer exakt med vad Einsteins fältekvation förutspådde. Som Frank Eisenhauer - en forskare från Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, den huvudsakliga utredaren av GRAVITY och SINFONI spektrograf och en medförfattare till studien - indikerade:
“Våra första observationer av S2 med GRAVITY, för ungefär två år sedan, visade redan att vi skulle ha det perfekta laboratoriet med svart hål. Under den nära passagen kunde vi till och med upptäcka det svaga glödet runt det svarta hålet på de flesta av bilderna, vilket gjorde det möjligt för oss att exakt följa stjärnan på dess bana, vilket i slutändan ledde till detektering av gravitationsrödskiftet i S2-spektrumet.”
Medan andra tester har utförts som bekräftat Einsteins förutsägelser, är det första gången effekterna av General Relativity har observerats i rörelsen av en stjärna runt ett supermassivt svart hål. I detta avseende har Einstein återigen visat sig rätt med ett hittills mest extrema laboratorium! Dessutom bekräftade det att tester som involverar relativistiska effekter kan ge konsekventa resultat över tid och utrymme.
"Här i solsystemet kan vi bara testa fysiklagarna nu och under vissa omständigheter," sade Françoise Delplancke, chef för systemteknikavdelningen vid ESO. "Så det är mycket viktigt inom astronomin att också kontrollera att dessa lagar fortfarande är giltiga där tyngdfältet är mycket starkare."
Inom en nära framtid kommer ytterligare ett relativistiskt test att vara möjligt när S2 rör sig bort från det svarta hålet. Detta är känt som en Schwarzschild-prcession, där stjärnan förväntas uppleva en liten rotation i sin bana. GRAVITY Collaboration kommer att övervaka S2 för att observera denna effekt också, och återigen förlita sig på VLT: s mycket exakta och känsliga instrument.
Som Xavier Barcons (ESO: s generaldirektör) antydde, blev detta resultat möjligt tack vare andan i internationellt samarbete som representerades av GRAVITY-samarbetet och de instrument som de hjälpte ESO att utveckla:
”ESO har arbetat med Reinhard Genzel och hans team och kollaboratörer i ESO: s medlemsstater i över ett kvart århundrade. Det var en enorm utmaning att utveckla de unikt kraftfulla instrument som behövs för att göra dessa mycket känsliga mätningar och att distribuera dem på VLT i Paranal. Upptäckten som tillkännagavs i dag är det mycket spännande resultatet av ett anmärkningsvärt partnerskap. ”
Och se till att kolla in den här videon av GRAVITY Collaborations framgångsrika test, med tillstånd av ESO:
