У 1915 році Альберт Ейнштейн опублікував свою знамениту Теорію загальної відносності, яка дала єдиний опис сили тяжіння як геометричної властивості простору і часу. Ця теорія породила сучасну теорію гравітації та революціонізувала наше розуміння фізики. Незважаючи на те, що відтоді минуло століття, вчені все ще проводять експерименти, які підтверджують прогнози його теорії.
Завдяки останнім спостереженням, зробленим командою міжнародних астрономів (відомих як співпраця GRAVITY), ефекти загальної відносності були виявлені за допомогою Супермасивної Чорної Діри (SMBH) вперше. Ці висновки стали кульмінацією 26-річної кампанії спостережень за СМББ у центрі Чумацького Шляху (Стрілець А *) за допомогою інструментів Європейської Південної Обсерваторії (ЕСО).
Дослідження, яке описує результати роботи команди, нещодавно з'явилося в журналі Астрономія та астрофізикапід назвою «Виявлення гравітаційного червоного зміщення на орбіті зірки S2 поблизу масивної чорної діри Галактичного центру». Дослідженням керував Роберто Арбуто з ESO та включав членів співпраці GRAVITY - яку очолює Рейнхард Гензель з Інституту позаземної фізики Макса Планка (MPE) та включає астрономів з багатьох європейських університетів та науково-дослідних інститутів.
Заради свого дослідження команда спиралася на дані, зібрані надзвичайно чутливими та високоточними інструментами VLT. Сюди ввійшли інструмент астрометрії та інтерферометрії GRAVITY, спектрограф для спостережень ІНТЕГРАЛЬНОГО поля в ближньому інфрачервоному (SINFONI) інструменті та пристрій Насмітської адаптивної оптики (NAOS) - прилад ближнього інфрачервоного випромінювання та спектрограф (CONICA), які разом відомі як НАКО.
Нові інфрачервоні спостереження, зібрані цими інструментами, дозволили команді стежити за однією зіркою (S2), яка обертається навколо Стрільця A * під час проходження перед чорною дірою - що відбулося у травні 2018 року. У найближчій точці її орбіти , зірка знаходилася на відстані менше 20 мільярдів км (12,4 млрд миль) від чорної діри і рухалася зі швидкістю, що перевищує 25 мільйонів км / год (15 мільйонів миль / год) - майже три відсотки швидкості світла .
Якщо прилад SINFONI використовувався для вимірювання швидкості S2 до і від Землі та від неї, то прилад GRAVITY в інтерферометрі VLT (VLTI) робив надзвичайно точні вимірювання зміни положення S2 з метою визначення форми його орбіти. Потім інструмент GRAVITY створив різкі зображення, які розкривали рух зірки, коли вона проходила близько до чорної діри.
Потім команда порівняла вимірювання положення та швидкості з попередніми спостереженнями S2 за допомогою інших приладів. Потім вони порівняли ці результати з прогнозами, зробленими Законом про загальне тяжіння, загальною відносністю Ньютона та іншими теоріями тяжіння. Як і очікувалося, нові результати відповідали передбаченням, зробленим Ейнштейном понад століття тому.
Як розповів Рейнхард Гензель, який, окрім того, що був лідером співпраці GRAVITY, був співавтором цього документу:
«Вже вдруге ми спостерігаємо близький прохід S2 навколо чорної діри в нашому галактичному центрі. Але цього разу, завдяки значно покращеному інструментарію, ми змогли спостерігати за зіркою з безпрецедентною роздільною здатністю. Ми готувалися до цієї події протягом кількох років, тому що хотіли максимально використати цю унікальну можливість спостерігати загальні релятивістські ефекти ».
Коли спостерігали за новими інструментами VLT, команда відзначила ефект, що називається гравітаційним червоним зміщенням, коли світло, що виходило від S2, змінювало колір, наближаючись до чорної діри. Це було викликано дуже сильним гравітаційним полем чорної діри, яке розтягнуло довжину хвилі світла зірки, змусивши її зміститися до червоного кінця спектра.
Зміна довжини хвилі світла від S2 точно узгоджується з прогнозованим рівнянням поля Ейнштейна. Як зазначив Франк Айзенхауер - науковий співробітник Інституту позаземної фізики Макса Планка, головний дослідник ГРАВІТНОСТІ та спектрографа SINFONI, а також співавтор дослідження:
“Наші перші спостереження за S2 з GRAVITY близько двох років тому вже показали, що у нас буде ідеальна лабораторія чорної діри. Під час близького проходу ми навіть могли виявити слабке сяйво навколо чорної діри на більшості зображень, що дозволило нам точно слідкувати за зіркою на її орбіті, що в кінцевому рахунку призводить до виявлення гравітаційного червоного зміщення в спектрі S2.”
У той час як були проведені інші випробування, які підтвердили прогнози Ейнштейна, це вперше, коли ефекти загальної відносності спостерігаються при русі зірки навколо надмасивної чорної діри. У цьому відношенні Ейнштейн вкотре довів свою правоту, використовуючи одну з найбільш екстремальних на сьогодні лабораторію! Більше того, він підтвердив, що тести, що містять релятивістські ефекти, можуть дати стійкі результати у часі та просторі.
"Тут у Сонячній системі ми можемо перевірити закони фізики лише зараз та за певних обставин", - сказала Франсуаза Дельпланкке, керівник відділу системної інженерії ESO. "Тому в астрономії дуже важливо перевірити, чи ті закони все ще діють там, де гравітаційні поля дуже сильніші".
Найближчим часом стане можливим ще один релятивістський тест, коли S2 відійде від чорної діри. Це відомо як прецесія Шварцшильда, де очікується, що зірка зазнає невеликого обертання на своїй орбіті. Співпраця GRAVITY буде контролювати S2, щоб також спостерігати цей ефект, вкотре покладаючись на дуже точні та чутливі інструменти VLT.
Як зазначив Ксав'є Барконс (генеральний директор ESO), це досягнення стало можливим завдяки духу міжнародного співробітництва, представленому співпрацею GRAVITY, та інструментам, яким вони допомагали ESO:
«ESO вже більше чверті століття співпрацює з Райнхардом Гензелем та його командою та співробітниками у державах-членах ESO. Величезним завданням було розробити унікально потужні інструменти, необхідні для проведення цих дуже делікатних вимірювань та розгортання їх на VLT в Параналі. Оголошене сьогодні відкриття є надзвичайно захоплюючим результатом чудового партнерства ».
І обов'язково перегляньте це відео успішного тесту співпраці GRAVITY, ввічливість ESO:
