Stebėjimai, atlikti Europos Pietinės Observatorijos teleskopų sistema (European Southern Observatory’s /ESO/ Very Large Telescope), esančia Čilėje, pirmą kartą atskleidė Einšteino Bendrosios reliatyvumo teorijos numatytus padarinius, vykstančius su žvaigžde, skriejančia per supermasyvios juodosios skylės, esančios Paukščių tako centre, sukurtą ekstremalų gravitacinį lauką.
Supermasyvi juodoji skylė yra 26 tūkstančių šviesmečių atstumu nuo Žemės, o jos masė – net keturis milijonus kartų didesnė nei Saulės. Ji yra apsupta kosminių dulkių debesų, todėl jos stebėjimai yra sudėtingi ir galimi tik radijo ir infraraudonųjų bangų dažniuose.
Žvaigždės S2 orbita, jai praskriejant labai arti nuo didžiosios juodosios skylės, esančios Paukščių tako galaktikos centre. Jai artėjant prie juodosios skylės, labai stiprus gravitacinis laukas kiek pakeičia žvaigždės spinduliuojamos šviesos spalvą, šiek tiek pailgindamas jos bangas – tai yra spektre paslinkdamas jas į raudonos spalvos pusę. Taip ir yra numatyta Einšteino Bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Iliustracijoje aiškumo dėlei objektai ir jų ryškumas yra padidinti. Iliustr.: ESO / M. Kornmesser
Pasirodė, kad apie šį gravitacijos monstrą skrieja nedidelė žvaigždžių grupė, todėl ši ekstremali aplinka – stipriausias gravitacinis laukas mūsų galaktikoje – yra puiki vieta tyrinėti gravitaciją bei patikrinti Einšteino Bendrąją reliatyvumo teoriją.
Nauji stebėjimai infraraudonųjų bangų diapazone, naudojantis trimis ypač jautriais prietaisais – spektrografais ir interferometrais, pavadintais GRAVITY, SINFONI ir NACO, sumontuotais teleskope Čilėje, leido astronomams sekti vieną iš šių žvaigždžių, pavadintą S2, tuo metu, kai ji 2018 metų gegužės mėnesį priartėjo prie juodosios skylės.
Gegužės 19 dieną ji buvo priartėjusi mažiau nei 20 milijardų kilometrų atstumu nuo juodosios skylės (tai bent penkis kartus toliau, nei nuo Saulės yra nutolusi nykštukinė planeta Plutonas) ir skriejo maždaug 25 milijonų kilometrų per valandą greičiu – tai yra ji pasiekė beveik tris procentus šviesos greičio.
Tyrėjų komanda palygino naujaisiais prietaisais GRAVITY ir SINFONI užfiksuotas žvaigždės koordinates ir greičius su ankstesniais žvaigždės stebėjimais kitais instrumentais. Pasirodė, kad naujai gauti duomenys nebeatitiko rezultatų, gautų naudojantis Niutono mechanikos formulėmis, tačiau puikiai atitiko Bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes.
Šių rezultatų paskelbimas tapo 26 metus trunkančių Paukščių tako centro stebėjimų, naudojant ESO instrumentus, kulminacija.
„Tai buvo jau antras kartas, kai mes stebėjome žvaigždės S2 praskriejimą pro supermasyvią juodąją skylę. Bet šį kartą turėjome gerokai jautresnius prietaisus ir galėjome stebėti žvaigždę su beprecedente skiriamąja geba“, – teigia šiuos stebėjimus atlikę astronomai. „Mes kelerius metus intensyviai rengiamės šiam įvykiui ir norėjome maksimaliai išnaudoti unikalią galimybę išsiaiškinti, ar užfiksuosime efektus, numatytus Bendrojoje reliatyvumo teorijoje“.
Nauji matavimai aiškiai atskleidė efektą, vadinamą gravitaciniu raudonuoju poslinkiu. Žvaigždės spinduliuojamos šviesos ilgiai tampa didesni – ji yra ištempiama į ilgesnių bangų pusę labai stipraus gravitacinio juodosios skylės lauko. S2 žvaigždės šviesos bangos ilgio pasikeitimas tiksliai atitiko tokį, kokį ir numato Einšteino Bendroji reliatyvumo teorija. Ir tai yra pirmas kartas, kai toks nukrypimas nuo Niutono teorijos buvo pastebėtas žvaigždėje, besisukančioje aplink supermasyvią juodąją skylę. Kadangi ji, priartėjusi prie juodosios skylės, skrieja milžinišku greičiu, ir pasiekia net tris procentus šviesos greičio, Niutono mechanikos dėsniai tampa nebetikslūs, nes ima reikštis reliatyvistiniai efektai.
Žvaigždžių orbitos arti didžiulės juodosios skylės Paukščių tako galaktikos centre. Viena iš šių žvaigždžių, pavadinta S2, apskrieja ją kas 16 metų ir buvo priartėjusi prie juodosios skylės šių metų gegužės mėnesį. Tai buvo puiki proga tirti gravitacijai ir konkrečiai patikrinti Einšteino Bendrąją reliatyvumo teoriją. Iliustr.: ESO / L. Calçada / spaceengine.org
„Mūsų pirmieji žvaigždės S2 stebėjimai su naujaisiais prietaisais, pradėti prieš dvejus metus, jau parodė, kad turėsime idealią galimybę tirti juodąją skylę“ – teigia Frankas Eisenhaueris (Frank Eisenhauer), dirbęs su SINFONI spektrografu. „Žvaigždei priartėjus prie juodosios skylės, daugumoje gautų nuotraukų mes net galėjome aptikti silpną švytėjimą aplink juodąją skylę, kuris leido mums tiksliau sekti žvaigždę ir galiausiai aptikti gravitacinį raudonąjį poslinkį jos spektre“.
Praėjus daugiau nei šimtui metų po Einšteino Bendrosios reliatyvumo teorijos paskelbimo, pavyko dar kartą įrodyti jos teisingumą, ir šį kartą – esant ekstremalesnėms sąlygos, nei tikriausiai pats Einšteinas galėjo įsivaizduoti.
Šiuos labai tikslius matavimus atliko tarptautinė komanda, vadovaujama Reinardo Genzelio (Reinhard Genzel) iš Makso Planko Nežemiškos fizikos instituto (the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) kartu su bendradarbiais iš Paryžiaus observatorijos, Grenoblio universiteto ir kitų mokslo institucijų.
Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole, Astronomy & Astrophysics (2018). DOI: 10.1051/0004-6361/201833718
Daugiau:
Kuo gi kavos puodelis skiriasi nuo spurgos?
Astronomai teigia nustatę, kad galaktikos sukasi kaip laikrodžiai
Dirbtinis intelektas gali analizuoti gravitacinius lęšius 10 milijonų kartų greičiau, nei iki šiol