Ogólna Teoria Względności opracowana przez Albert Einsteina dotyczy grawitacji. Była wielokrotnie testowana na Ziemi i w Układzie Słonecznym, ale czy na pewno jest prawidłowa przy ekstremalnie silnych polach grawitacyjnych, takich jakie wytwarzają supermasywne czarne dziury? Teraz naukowcy uzyskali na to dowód.
Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej ma masę około 4 miliony razy większą niż Słońce. Pole grawitacyjne w jej pobliżu ma ekstremalne wartości. Jest to więc idealne laboratorium do sprawdzenia Ogólnej Teorii Względności. Problem w tym że jest oddalone od nas aż o 26 tysięcy lat świetlnych.
Wokół supermasywnej czarnej dziury w sercu Drogi Mlecznej krąży po orbitach grupa gwiazd, a wśród nich gwiazda S2. Obiega czarną dziurę z okresem 16 lat po silnie wydłużonej orbicie. Naukowcy już raz obserwowali jej zbliżenie do czarnej dziury, ale tym razem mogli to zrobić z dużo lepszą precyzją, gdyż przez kilkanaście lat rozwój instrumentów astronomicznych był bardzo duży.
Gwiazda S2 przeszła w maju 2018 r. bardzo blisko czarnej dziury, w odległości mniejszej niż 20 miliardów kilometrów, co odpowiada 120 dystansom Ziemia-Słońce, czterem dystansom Neptun-Słońce lub 1500 promieniom Schwarzschilda czarnej dziury. Gwiazda poruszała się z prędkością przekraczającą 25 milionów kilometrów na godzinę (prawie 3 proc. prędkości światła). Co więcej, dzięki interferometrii astronomowie byli w stanie śledzić zmiany jej pozycji praktycznie z nocy na noc.
Jak przeprowadzono pomiary?
Pomiary prowadzono instrumentami GRAVITY, SINFONI i NACO pracującymi na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) w Obserwatorium Paranal w Chile, które należy do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). Obserwacje są zwieńczeniem 26-letniej serii badań centrum Drogi Mlecznej przy pomocy różnych teleskopów i instrumentów ESO. Skład zespołu badawczego był międzynarodowy, a kierował nim Reinhard Genzel z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) w Garching (Niemcy).
Badacze porównywali pomiary pozycji i prędkości gwiazdy z GRAVITY i SINFONI, a także wcześniejsze pomiary dokonane przy pomocy innych instrumentów, z przewidywaniami newtonowskiej teorii grawitacji, ogólnej teorii względności oraz innymi teoriami grawitacji. Nowe obserwacje zgadzają się z przewidywaniami newtonowskimi, a jeszcze lepiej pasują do przewidywań ogólnej teorii względności.
Poczerwienie grawitacyjne
Jak wskazują naukowcy, nowe pomiary wyraźnie pokazały efekt nazywany poczerwienieniem grawitacyjnym. Jest to jeden z efektów przewidywanych przez ogólną teorię względności. Światło gwiazdy ulega rozciągnięciu w stronię fal dłuższych (barwy czerwonej) w bardzo silnym polu grawitacyjnym. Zaobserwowana w przypadku gwiazdy S2 zmiana długości fali zgadza się bardzo dobrze z przewidywaniami teorii Einsteina. Udało się natomiast odnotować odchyłki w ruchu gwiazdy od przewidywań prostszej teorii Newtona.
Jak podkreślono w komunikacie ESO, ponad sto lat po publikacji pracy definiującej równania ogólnej teorii względności, kolejny raz udało się dowieść, że Einstein miał rację – w znacznie bardziej ekstremalnym laboratorium niż można było sobie wyobrazić!
Françoise Delplancke, kierująca System Engineering Department w ESO, wyjaśniła znaczenie tych obserwacji: „W Układzie Słonecznym możemy testować prawa fizyki w określonych warunkach. Ale w astronomii jest bardzo ważne, aby sprawdzić, czy te prawa działają także, gdy pola grawitacyjne są znacznie silniejsze”.
Naukowcy mają nadzieję, że dalsze obserwacje pozwolą na sprawdzenie jeszcze jednego efektu relatywistycznego: niewielkiej rotacji orbity gwiazdy (tzw. precesja Schwarzschilda), gdy S2 będzie oddalać się od czarnej dziury.
Czytaj też:
Zaćmienie Księżyca widziane z Polski. Zobacz efektowne zdjęcia