Di tengah-tengah galaksi Milky Way, hampir 26, 000 tahun cahaya, satu kumpulan bintang berputar berdekatan dengan lubang hitam supermasif yang dikenali sebagai Sagittarius A *. Seperti bintang-bintang sedozen ini, yang dipanggil S-bintang, mendekati lubang hitam-iaitu kira-kira empat juta kali lebih besar daripada matahari-daya graviti yang besarnya melambung mereka lebih cepat daripada 16 juta batu sejam. Sebenarnya, tarikan graviti Sagittarius A * sangat sengit sehingga ia memberi kesan cahaya dari bintang-bintang ini apabila mereka menyimpang terlalu dekat, meregangkan panjang gelombang ke arah bahagian merah spektrum elektromagnetik.
Satu bintang khususnya, S0-2, mendapat begitu dekat dengan Sagittarius A * bahawa ahli astronomi mendapati ia menjadi salah satu makmal semulajadi yang terbaik untuk menguji batasan teori asas graviti kita: relativiti umum Einstein.
Selama lebih dari dua dekad, astrofizik telah mengesan pergerakan S0-2 untuk lebih memahami cara kerja graviti dan meletakkan teori Einstein untuk ujian. Dengan pengimejan kedudukan bintang dan mengukur spektrum cahaya, penyelidik berharap untuk menentukan sama ada orbit S0-2 di sekitar lubang hitam sepadan dengan jalan yang diramalkan oleh relativiti umum. Dalam satu kajian yang diterbitkan hari ini dalam Sains, sebuah pasukan antarabangsa ahli astronomi melaporkan bahawa tingkah laku bintang itu bersetuju dengan teori graviti Einstein, yang mengesahkan bahawa relativiti umum masih memegang di rantau ini yang mengelilingi lubang hitam supermassive-sekurang-kurangnya untuk sekarang.
"Anda ingin menguji teori itu sebagai sangat melampau persekitaran seperti yang anda boleh ... pada asasnya mendorong teori lebih keras daripada apa yang mungkin kita ramalkan, " kata Tuan Do, seorang saintis penyelidikan di UCLA yang pakar dalam pusat galaksi dan penulis utama kajian .
Imej orbit bintang di sekitar lubang hitam supermasif di pusat galaksi kita. Disorot adalah orbit bintang S0-2. Ini adalah bintang pertama yang mempunyai ukuran yang cukup untuk menguji Relativiti Am Einstein di sekitar lubang hitam supermasif. (Kumpulan Pusat Galactic Keck / UCLA) Teori relativiti umum Einstein menggambarkan tiga dimensi ruang dan satu dimensi masa yang semestinya terikat dalam "kain" ruang masa. Objek besar, seperti bintang dan lubang hitam, meletakan kain ini untuk meregangkan jarak dan masa yang perlahan, menarik objek sekitarnya ke arah mereka. Kami melihat kesan ini sebagai graviti-epal jatuh dari pokok. Tetapi cahaya juga terjejas oleh daya graviti, membongkok ketika ia bergerak melalui ruang melayang di sekeliling objek besar-besaran.
Mengikut relativiti umum, lubang hitam supermasif seperti Sagittarius A * mencipta lengkung besar dalam ruang waktu, menghasilkan medan graviti yang sangat kuat. Apabila bintang bergerak dekat dengan lubang hitam itu, foton cahaya yang dilepaskan ditarik ke dalam padang, dan cahaya yang melarikan diri dan membuatnya ke Bumi mesti memanjat keluar dari lubang graviti lubang hitam. Hasilnya adalah bahawa cahaya yang diperhatikan mempunyai tenaga yang lebih rendah-frekuensi yang lebih rendah dan panjang gelombang yang lebih panjang menghasilkan spektrum redder. Para saintis membandingkan ramalan kerelatifan umum mengenai kesan ini, yang dipanggil pergerakan putaran graviti, kepada panjang gelombang yang diukur cahaya masuk dari bintang seperti S0-2 untuk menguji sama ada teori itu benar.
Beberapa faktor selain graviti boleh mempengaruhi pergeseran semula, bagaimanapun, termasuk jika objek bergerak jauh atau ke arah pemerhati. "Jantung soalan ini, pada dasarnya, anda boleh mengukur semua kesan-kesan lain dengan cukup baik bahawa anda dengan yakin dapat mengatakan bahawa apa yang anda lihat adalah pergerakan merah graviti, dan bukan hanya dengan cara lain yang anda pada dasarnya boleh menyesuaikan orbit bintang, "kata Do.
S0-2 orbit Sagittarius A * setiap 16 tahun. Pada bulan Mei 2018, ia mencapai titik paling dekat dengan lubang hitam, yang datang dalam 120 unit astronomi (lebih dari 11 bilion mil) dan hanya bergerak di bawah tiga peratus kelajuan cahaya (sekitar 18 juta batu sejam). Pada masa ini, kesan redshift amat penting kerana tarikan graviti Sagittarius A * semakin kuat apabila bintang bergerak lebih dekat. Pada bulan Mac dan September pada tahun yang sama, bintang itu juga mencapai titik-titik halaju radial maksimum dan minimum, masing-masing, bermakna ia bergerak paling cepat dan paling lambat berhubung dengan seorang pemerhati di Bumi. Isyarat redshift dari ketiga-tiga peristiwa ini adalah penting untuk memetakan bentuk orbit bintang di mana kesan graviti adalah yang paling melampau.
"Isyarat pergeseran adalah paling kuat pada titik pendekatan paling dekat kerana ia paling dekat dengan lubang hitam, tetapi itu bukan di mana ia adalah yang paling mudah untuk diukur kerana apa yang kita benar-benar sensitif terhadap ... adalah perubahan dalam halaju relatif, jadi anda mahu menangkapnya pada sisi kenaikan dan kejatuhan isyarat ini, "kata Do.
Apabila bintang S0-2 semakin dekat dengan lubang hitam di tengah-tengah galaksi kita, cahaya itu terbentang ke dalam bahagian redder spektrum elektromagnetik, suatu fenomena yang diramalkan oleh teori relativiti umum Einstein. (Nicole R. Fuller / Yayasan Sains Kebangsaan) Lubang hitam supermassive adalah taman permainan yang membingungkan untuk ujian fizik kerana mereka tidak sesuai dengan kemas dalam teori dominan hari ini. "Lubang hitam adalah sangat besar dan sangat padat, jadi jenis relativiti umum dan mekanik kuantum bertembung, " kata Do. Walaupun mekanik kuantum menerangkan zarah-zarah terkecil di alam semesta kita-sebuah alam di mana graviti biasanya boleh diabaikan-umum relativiti memperkatakan objek besar-besaran yang mempunyai medan graviti yang besar. Sesetengah ahli fizik menjangkakan bahawa kedua-dua teori ini akan menjadi kepala di tengah-tengah lubang hitam, di mana jisim yang besar dianggap terkandung dalam isipadu kecil, titik yang dikenali sebagai graviti singulariti.
"Hampir semua percubaan untuk memahami graviti di peringkat kuantum, dan untuk memahami bagaimana ia sesuai dengan daya alam yang lain, nampaknya menunjukkan bahawa relativiti umum tidak lengkap dan mesti memecah atau menyimpang dalam beberapa cara, dan graviti yang kuat adalah di mana ini akan berlaku, "Kata Clifford Johnson, seorang ahli fizik teori dari University of Southern California yang tidak terlibat dalam kajian itu, dalam e-mel. "Kejiranan lubang hitam, baik besar dan kecil, semakin menjadi arena pemerhatian untuk graviti yang kuat ... di mana kita mempunyai peluang untuk melihat di mana kerelatifan umum akan pecah, [dan] jika ia, mungkin mendedahkan fizik alam semesta kita, dan lebih lanjut mengenai sifat ruang dan masa. "
Pasukan penyelidikan menggunakan gabungan pengimejan teleskop dan spektroskopi untuk memetakan orbit S0-2. Oleh kerana suasana di sekeliling Bumi sentiasa bergerak, mengaburkan pandangan kita tentang langit, mereka bergantung kepada optik adaptif dan teknik yang dikenali sebagai pengimejan speckle untuk menangkap gambar jelas-pada asasnya, mereka menggunakan cermin fleksibel, melonjak ribuan kali sesaat oleh penggerak, dan mengambil gambar dari langit untuk membetulkan kabur atmosfera.
"Atmosfer bumi sangat bagus untuk manusia, tetapi tidak baik untuk astronomi. ... Ia seperti melihat kerikil di bawah sungai, dan anda cuba mengukur kedudukan kerikil. " "Pada asasnya kami cuba menghilangkan kedutan di bintang-bintang."
Laser dari dua Teleskop Keck yang disebarkan ke arah pusat galaksi. Setiap laser mencipta bintang tiruan yang boleh digunakan untuk membetulkan keadaan kabur akibat suasana Bumi. (Ethan Tweedie) Para penyelidik mengesan orbit untuk S0-2 dan membandingkannya dengan ramalan dari model relativiti umum dan model fizik Newton yang lebih mudah. Pasukan mendapati bahawa bintang itu bergerak hampir 450 ribu batu sejam lebih cepat daripada apa yang diperkirakan oleh graviti Newtonian, dan model relativiti umum adalah 43 ribu kali lebih mungkin untuk menjelaskan pemerhatian mereka.
"Teori relativiti umum Einstein sekali lagi membuktikan dengan betul, dalam ketepatan pengukurannya, " kata Nikodem Poplawski, seorang ahli matematik dan ahli fizik dari Universiti New Haven yang tidak terlibat dalam kajian baru itu. Beliau juga menyatakan bahawa keputusan itu menyokong kewujudan lubang hitam seperti yang digambarkan oleh relativiti umum. "Sebagai tambahan kepada apa yang diperhatikan pada bulan April dengan gambar pertama lubang hitam, sekarang kita ada lebih banyak bukti bahawa apa yang ada di dalam Bimasakti kita adalah lubang hitam supermasif."
Kerja yang sama dilaporkan pada tahun lepas juga mendakwa bahawa orbit S0-2 mengikut ramalan kerelatifan umum. Walau bagaimanapun, keputusan baru ini menambah bukti tambahan dari tiga bulan data tambahan yang diambil apabila bintang itu paling dekat dengan Sagittarius A * dan isyarat merah jambu adalah yang paling kuat, termasuk peristiwa orbital ketiga penting pada September tahun lepas.
"Kemungkinan bahawa anda boleh mengukur kerelatifan umum di pusat galaksi telah berlaku selama sedekad, " kata Do. "Untuk mengatakan bahawa kita akhirnya boleh melakukannya-ini kepada saya menandakan permulaan era lebih banyak ujian graviti di sekitar pusat galaksi dan membuka banyak jalan untuk lebih sains di sekitar lubang hitam supermasif." Melangkah ke hadapan, pasukan penyelidikan akan terus menjejaki pergerakan bintang-bintang, menyelidik lebih jauh ke dalam misteri lubang hitam dan fizik yang memerintah alam semesta kita.
