In het centrum van de Melkweg, bijna 26.000 lichtjaar verwijderd, cirkelt een cluster van sterren dicht bij het superzware zwarte gat dat bekend staat als Boogschutter A *. Terwijl deze enkele tientallen sterren, S-sterren genoemd, het zwarte gat naderen - dat ongeveer vier miljoen keer zo groot is als de zon - zwaait de enorme zwaartekracht ervan sneller rond dan 16 miljoen mijl per uur. In feite is de zwaartekracht van Boogschutter A * zo intens dat het het licht van deze sterren vervormt wanneer ze te dichtbij komen, waardoor de golflengtes naar het rode deel van het elektromagnetische spectrum worden uitgerekt.
Eén ster in het bijzonder, S0-2, komt zo dicht bij Boogschutter A * dat astronomen het een van de beste natuurlijke laboratoria hebben gevonden voor het testen van de grenzen van onze fundamentele zwaartekrachttheorie: de algemene relativiteitstheorie van Einstein.
Al meer dan twee decennia volgen astrofysici de bewegingen van S0-2 om de werking van de zwaartekracht beter te begrijpen en de theorie van Einstein op de proef te stellen. Door de positie van de ster in beeld te brengen en het spectrum van het licht te meten, hopen onderzoekers te bepalen of de baan van S0-2 rond het zwarte gat overeenkomt met het pad dat wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. In een studie die vandaag in Science is gepubliceerd, meldt een internationaal team van astronomen dat het gedrag van de ster overeenkomt met de zwaartekrachttheorie van Einstein, waarmee wordt bevestigd dat de algemene relativiteitstoestand nog steeds standhoudt in de regio rond een superzwaar zwart gat - althans voorlopig.
"Je wilt de theorie in een zo extreem mogelijke omgeving testen ... om de theorie in wezen harder te duwen dan we hadden kunnen voorspellen, " zegt Tuan Do, een onderzoekswetenschapper aan de UCLA, gespecialiseerd in het galactisch centrum en hoofdauteur van de studie .
Afbeelding van de banen van sterren rond het superzware zwarte gat in het centrum van onze melkweg. Gemarkeerd is de baan van de ster S0-2. Dit is de eerste ster die voldoende metingen heeft om de algemene relativiteitstheorie van Einstein rond een superzwaar zwart gat te testen. (Keck / UCLA Galactic Center Group) Einsteins algemene relativiteitstheorie beschrijft de drie dimensies van ruimte en de ene dimensie van tijd als inherent verbonden in een "weefsel" van ruimtetijd. Massieve objecten, zoals sterren en zwarte gaten, verdraaien deze stof om afstanden te rekken en de tijd te vertragen, waardoor omliggende objecten naar hen toe worden getrokken. We zien dit effect als zwaartekracht - een appel die van een boom valt. Maar licht wordt ook beïnvloed door zwaartekrachten, die buigen terwijl het door de kromgetrokken ruimtetijd rond een massief object beweegt.
Volgens de algemene relativiteitstheorie creëren superzware zwarte gaten zoals Boogschutter A * een grote curve in ruimtetijd, waardoor een extreem sterk zwaartekrachtsveld ontstaat. Wanneer een ster zich in de buurt van zo'n zwart gat beweegt, worden fotonen van uitgestraald licht het veld in getrokken, en het licht dat ontsnapt en de aarde bereikt, moet uit de zwaartekrachtholte van het zwarte gat klimmen. Het resultaat is dat het waargenomen licht een lagere energie heeft - een lagere frequentie en een langere golflengte - waardoor een roder spectrum ontstaat. Wetenschappers vergelijken de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie van dit effect, de zogenaamde zwaartekracht roodverschuiving, met de gemeten golflengtes van invallend licht van sterren zoals S0-2 om te testen of de theorie klopt.
Een aantal andere factoren dan de zwaartekracht kan echter de roodverschuiving beïnvloeden, ook als een object weg of in de richting van de waarnemer beweegt. "De kern van de vraag is, in principe, kun je al deze andere effecten goed genoeg meten zodat je vol vertrouwen kunt zeggen dat wat je ziet een gravitatie-roodverschuiving is, en niet alleen een andere manier waarop je de baan van de ster, 'zegt Do.
S0-2 draait om Boogschutter A * om de 16 jaar. In mei 2018 bereikte het zijn dichtste punt bij het zwarte gat, binnen 120 astronomische eenheden (iets meer dan 11 miljard mijl) en reizen met iets minder dan drie procent van de snelheid van het licht (ongeveer 18 miljoen mijl per uur). Op dit moment is het roodverschuivingseffect vooral opmerkelijk omdat de zwaartekracht van Boogschutter A * sterker wordt naarmate de ster dichterbij komt. In maart en september van hetzelfde jaar bereikte de ster ook respectievelijk zijn punten van maximale en minimale radiale snelheid, wat betekent dat hij het snelst en het langzaamst bewoog ten opzichte van een waarnemer op aarde. De roodverschuivingssignalen van deze drie gebeurtenissen zijn cruciaal voor het in kaart brengen van de vorm van de baan van de ster waar de effecten van zwaartekracht het meest extreem zijn.
“Het roodverschuivingssignaal is het sterkst op het punt van de dichtstbijzijnde nadering omdat het het dichtst bij het zwarte gat is, maar dat is niet het gemakkelijkst om te meten omdat waar we echt gevoelig voor zijn ... veranderingen in de relatieve snelheid zijn, dus je wilt het vangen aan de stijgende en dalende kant van dit signaal ', zegt Do.
Naarmate de ster S0-2 dichter bij het zwarte gat in het centrum van onze melkweg komt, wordt het licht uitgerekt in de rodere delen van het elektromagnetische spectrum, een fenomeen voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. (Nicole R. Fuller / National Science Foundation) Superzware zwarte gaten zijn raadselachtige speelplaatsen voor het testen van de fysica omdat ze niet netjes passen in de dominante theorieën van vandaag. "Zwarte gaten zijn zowel zeer massief als extreem compact, dus het is een soort waar algemene relativiteit en kwantummechanica botsen, " zegt Do. Terwijl de kwantummechanica de kleinste deeltjes in ons universum beschrijft - een rijk waar zwaartekracht meestal kan worden genegeerd - houdt algemene relativiteitstheorie zich bezig met massieve objecten met enorme zwaartekrachtvelden. Sommige natuurkundigen verwachten dat deze twee theorieën tot een hoogtepunt zullen komen in het midden van een zwart gat, waar een enorme massa wordt verondersteld te zijn vervat in een oneindig klein volume, een punt dat bekend staat als zwaartekracht singulariteit.
“Bijna alle pogingen om zwaartekracht op kwantumniveau te begrijpen en te begrijpen hoe het past bij andere natuurkrachten, lijken te suggereren dat de algemene relativiteitstheorie onvolledig is en op de een of andere manier moet afbreken of afwijken, en sterke zwaartekracht is waar dit zou gebeuren, ”Zegt Clifford Johnson, een theoretisch fysicus van de Universiteit van Zuid-Californië die niet bij het onderzoek betrokken was, in een e-mail. "De buurt van zwarte gaten, zowel grote als kleine, wordt steeds meer een waarnemingsarena voor sterke zwaartekracht ... waar we een kans hebben om te zien waar de algemene relativiteitstheorie kapot gaat, en als dat zo is, mogelijk de fysica van ons universum onthullend, en meer over de aard van ruimte en tijd. ”
Het onderzoeksteam gebruikte een combinatie van telescoopbeeldvorming en spectroscopie om de baan van S0-2 in kaart te brengen. Omdat de atmosfeer rond de aarde altijd in beweging is, waardoor ons zicht op de lucht vervaagt, vertrouwden ze op adaptieve optica en een techniek die spikkels werd genoemd om een duidelijk beeld te krijgen - in wezen gebruikten ze een flexibele spiegel, duizenden keren per seconde vervormd door actuatoren, en nam kiekjes van de lucht om te corrigeren voor atmosferische vervaging.
“De atmosfeer van de aarde is geweldig voor de mens, maar slecht voor de astronomie. ... Het is alsof je naar een kiezelsteen onder een rivier kijkt en je probeert de positie van de kiezelsteen te meten. 'Zegt Do. "In principe proberen we de twinkeling in de sterren te verwijderen."
Lasers van de twee Keck-telescopen propageerden in de richting van het galactische centrum. Elke laser creëert een kunstmatige ster die kan worden gebruikt om de vervaging als gevolg van de atmosfeer van de aarde te corrigeren. (Ethan Tweedie) De onderzoekers volgden een baan voor S0-2 en vergeleken deze met voorspellingen van het algemene relativiteitsmodel en het eenvoudiger Newtoniaanse fysica-model. Het team ontdekte dat de ster bijna 450 duizend mijl per uur sneller bewoog dan wat Newtoniaanse zwaartekracht zou voorspellen, en dat het algemene relativiteitsmodel 43 duizend keer meer geneigd was om hun waarnemingen te verklaren.
"De algemene relativiteitstheorie van Einstein bewijst nogmaals, binnen de nauwkeurigheid van de metingen, " zegt Nikodem Poplawski, een wiskundige en natuurkundige van de Universiteit van New Haven die niet betrokken was bij de nieuwe studie. Hij wijst er ook op dat de resultaten het bestaan van zwarte gaten ondersteunen, zoals beschreven door algemene relativiteitstheorie. "Naast wat in april werd waargenomen met de eerste foto van een zwart gat, hebben we nu meer bewijs dat wat er in onze Melkweg zit, een superzwaar zwart gat is."
Soortgelijk werk dat vorig jaar werd gemeld, beweerde ook dat de baan van S0-2 de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie volgde. Deze nieuwe resultaten voegen echter extra bewijs toe uit een extra drie maanden aan gegevens die werden verzameld toen de ster het dichtst bij Boogschutter A * stond en het roodverschuivingssignaal het sterkst was, inclusief de cruciale derde omloopevenement in september vorig jaar.
"De mogelijkheid dat je de algemene relativiteitstheorie in het galactische centrum kunt meten, bestaat al tien jaar, " zegt Do. "Om te zeggen dat we het eindelijk kunnen doen - dit betekent voor mij het begin van een tijdperk van nog meer zwaartekrachttesten rond het centrum van de Melkweg en opent veel wegen voor meer wetenschap rond het superzware zwarte gat." het onderzoeksteam zal de bewegingen van de S-sterren blijven volgen en dieper in de mysteries van zwarte gaten en de fysica die ons universum beheersen onderzoeken.
