במרכז גלקסיית שביל החלב, קרוב ל 26, 000 שנות אור משם, מסתובב אשכול של כוכבים סביב החור השחור העל-מסיבי המכונה קשת A *. בעוד כמה עשרות הכוכבים האלו, המכונים כוכבי S, מתקרבים לחור השחור - שהוא פי ארבעה מיליון מסיבי יותר מהשמש - כוח הכבידה העצום שלו מסיט אותם במהירות רבה יותר מ -16 מיליון מיילים לשעה. למעשה, משיכת הכבידה של מזל קשת A * כה אינטנסיבית, עד שהיא מעוותת את האור מכוכבים אלה כאשר הם מתועים קרוב מדי, ומותחים את אורכי הגל לעבר החלק האדום של הספקטרום האלקטרומגנטי.
כוכב אחד בפרט, S0-2, מתקרב כל כך למזל קשת A * עד שהאסטרונומים מצאו שהוא אחד המעבדות הטבעיות הטובות ביותר לבחינת גבולות התיאוריה הכובדת הבסיסית שלנו: היחסות הכללית של איינשטיין.
במשך יותר משני עשורים עוקבים האסטרופיסיקאים אחר תנועות ה- S0-2 כדי להבין טוב יותר את פעולות הכובד ומעמידים את מבחן התיאוריה של אינשטיין. על ידי הדמיית מיקום הכוכב ומדידת ספקטרום אורו, החוקרים מקווים לקבוע אם מסלולו של S0-2 סביב החור השחור תואם לנתיב שחזוית היחסות הכללית. במחקר שפורסם היום בכתב העת Science, צוות בינלאומי של אסטרונומים מדווח כי התנהגות הכוכב מסכימה עם תורת הכובד של איינשטיין, ומאשרת כי תורת היחסות הכללית עדיין קיימת באזור סביב חור שחור סופר-מסיבי - לפחות לעת עתה.
"אתה רוצה לבחון את התיאוריה בצורה קיצונית ככל שתוכל ... לדחוף את התיאוריה באופן חזק יותר ממה שהיינו יכולים לחזות", אומר טואן דו, מדען מחקר באוניברסיטת UCLA המתמחה במרכז הגלקטי והמחבר הראשי של המחקר. .
תמונה של מסלולי כוכבים סביב החור השחור העל-מסיבי במרכז הגלקסיה שלנו. מודגש הוא מסלולו של הכוכב S0-2. זהו הכוכב הראשון שיש לו מספיק מדידות כדי לבחון את היחסות הכללית של איינשטיין סביב חור שחור סופר-מסיבי. (קבוצת Keck / UCLA Galactic Center) תורת היחסות הכללית של איינשטיין מתארת את שלושת הממדים של המרחב ואת הממד האחד של הזמן כמובנים מטבעם ב"מרקם "של זמן החלל. חפצים מסיביים, כמו כוכבים וחורים שחורים, עיוותים את הבד הזה למתיחת מרחקים ואטיות זמן, ומושכים אליו חפצים מסביב. אנו תופסים את האפקט הזה ככוח כוח משיכה - תפוח נופל מעץ. אולם האור מושפע גם מכוחות הכבידה, כשהם מתכופפים בזמן שהוא עובר דרך החלל המעוות סביב חפץ מסיבי.
על פי היחסות הכללית, חורים שחורים סופר-מסיביים כמו מזל קשת A * יוצרים עקומה גדולה בחלל המייצר שדה כבידה חזק במיוחד. כשכוכב מתקרב לחור שחור כזה, פוטונים של אור שנפלט נמשכים אל השדה, והאור הנמלט ומגיע לכדור הארץ צריך לטפס מבאר הכבידה של החור השחור. התוצאה היא שלאור הנצפה יש אנרגיה נמוכה יותר - תדר נמוך יותר ואורך גל ארוך יותר - שמייצר ספקטרום אדום יותר. מדענים משווים בין תחזיות היחסות הכללית להשפעה זו, המכונה משמרת אדומה של הכבידה, לאורכי הגל המדודים של אור נכנס מכוכבים כמו S0-2 כדי לבדוק אם התיאוריה נכונה.
אולם מספר גורמים שאינם כוח המשיכה יכולים להשפיע על הסטה אדומה, כולל אם אובייקט מתרחק או לעבר המתבונן. "לב השאלה הוא, בעצם, האם אתה יכול למדוד את כל ההשפעות האחרות האלה מספיק טוב כדי שתוכל לומר בביטחון שמה שאתה רואה הוא שינוי אדום כבד, ולא רק דרך אחרת שאתה יכול בעצם להתאים את מסלולו של כוכב ", אומר דו.
S0-2 מקיף קשת A * כל 16 שנים. במאי 2018 היא הגיעה לנקודה הקרובה ביותר לחור השחור, כשהיא נכנסת ל -120 יחידות אסטרונומיות (קצת יותר מ -11 מיליארד מיילים) ונוסעת בדיוק מתחת לשלושה אחוז ממהירות האור (כ -18 מיליון מיילים לשעה). נכון לעכשיו, אפקט ההיסטה האדום בולט במיוחד כאשר משיכת הכבידה של מזל קשת A * מתחזקת כאשר הכוכב מתקרב. במרץ וספטמבר של אותה שנה הגיע הכוכב לנקודות המהירות הרדיאלית המקסימלית והמינימלית, בהתאמה, כלומר פירושו נע במהירות האיטית ביותר ביחס לצופה בכדור הארץ. האותות של ההיסטה האדומה משלושת האירועים הללו הם מכריעים למיפוי צורת מסלול הכוכב במקום בו השפעות הכובד הן הקיצוניות ביותר.
"האות במשמרת האדומה הוא החזק ביותר בנקודת הגישה הקרובה ביותר מכיוון שהוא הכי קרוב לחור השחור, אבל זה לא המקום בו הכי קל למדוד כי מה שאנחנו באמת רגישים אליו ... זה שינויים במהירות היחסית, אז אתה רוצה לתפוס אותו בצד הגואה והנפילה של האות הזה, "אומר דו.
ככל שהכוכב S0-2 מתקרב לחור השחור במרכז הגלקסיה שלנו, האור שלו נמתח לחלקים האדומים יותר של הספקטרום האלקטרומגנטי, תופעה שנבאה על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין. (ניקול ר פולר / הקרן הלאומית למדע) חורים שחורים סופר-מאסיביים הם מגרשי משחקים תמוהים לבחינת הפיזיקה מכיוון שהם אינם משתלבים יפה בתיאוריות הדומיננטיות של ימינו. "חורים שחורים הם גם מאסיביים וגם קומפקטיים במיוחד, כך שזה סוג של מקום שבו מתנגשים תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים", אומר דו. בעוד שמכניקת הקוונטים מתארת את החלקיקים הקטנים ביותר ביקום שלנו - תחום בו בדרך כלל ניתן להתעלם מכוח המשיכה - התייחסות כללית עוסקת בעצמים מסיביים שיש להם שדות כבידה אדירים. חלק מהפיזיקאים מצפים ששתי התיאוריות הללו יגיעו לראש במרכז החור השחור, שם חושבים שמיסה עצומה מכילה בנפח קטן עד אינסוף, נקודה המכונה ייחודיות כבידה.
"כמעט כל הניסיונות להבין את כוח הכבידה ברמה הקוונטית, ולהבין איך זה מתאים לכוחות טבע אחרים, נראה שרמזים כי תורת היחסות הכללית אינה שלמה ועליה להתפרק או לסטות בדרך כלשהי, וכוח הכבידה חזק הוא המקום בו זה היה קורה, "אומר קליפורד ג'ונסון, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת דרום קליפורניה שלא היה מעורב במחקר, במייל. "שכונת החורים השחורים, הגדולים והקטנים כאחד, הופכת יותר ויותר לזירה תצפיתית לכובד חזק ... שם יש לנו סיכוי לראות איפה תורת היחסות הכללית נשברת, [וגם] אם כן, אולי חושפת את הפיזיקה של היקום שלנו, ו יותר על אופי המרחב והזמן. "
צוות המחקר השתמש בשילוב של הדמיה טלסקופית וספקטרוסקופיה כדי למפות את מסלולו של S0-2. מכיוון שהאטמוספרה סביב כדור הארץ תמיד נעה, ומטשטשת את מבטנו אל השמיים, הם הסתמכו על אופטיקה אדפטיבית וטכניקה שנקראת הדמיה לגלגל כדי לצלם תמונה ברורה - בעיקרם הם השתמשו במראה גמישה, עיוותו אלפי פעמים בשנייה על ידי מפעילים, ולקח תמונות של שמיים כדי לתקן טשטוש אטמוספרי.
"האטמוספרה של כדור הארץ נהדרת לבני אדם, אך גרועה לאסטרונומיה. ... זה כמו להסתכל על חלוקי נחל מתחת לנהר, ואתה מנסה למדוד את מיקום חלוקת הנחל. ”אומר. "בעיקרון אנו מנסים להסיר את הניצוץ בכוכבים."
לייזרים משני טלסקופי קק התפשטו לכיוון המרכז הגלקטי. כל לייזר יוצר כוכב מלאכותי שיכול לשמש לתיקון לטשטוש בגלל האטמוספרה של כדור הארץ. (איתן טווידי) החוקרים עקבו אחר מסלול ל- S0-2 והשוו אותו לתחזיות ממודל היחסות הכללית ומודל הפיזיקה הניוטונית הפשוטה יותר. הצוות מצא כי הכוכב זז כמעט 450 אלף מיילים לשעה מהר יותר ממה שחזה הכבידה הניוטונית, וכי מודל היחסות הכללי היה בעל סיכוי גבוה פי 43 אלף להסביר את התצפיות שלהם.
"תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין מוכיחה שוב את עצמה, תוך דיוק המדידות, " אומר ניקודם פופלבסקי, מתמטיקאי ופיזיקאי מאוניברסיטת ניו הייבן שלא היה מעורב במחקר החדש. הוא גם מציין שהתוצאות תומכות בקיומם של חורים שחורים כפי שתואר על ידי היחסות הכללית. "בנוסף למה שנצפה באפריל עם התמונה הראשונה של חור שחור, עכשיו יש לנו עדויות נוספות לכך שמה שנמצא בתוך שביל החלב שלנו הוא חור שחור-מסיבי."
עבודה דומה שדווחה בשנה שעברה טענה גם כי מסלולו של S0-2 עקב אחר תחזיות היחסות הכללית. עם זאת, התוצאות החדשות הללו מוסיפות עדויות נוספות משלושה חודשים נוספים של נתונים שנלקחו כאשר הכוכב היה הקרוב ביותר למזל קשת A * והאותו משמרת אדומה היה החזק ביותר, כולל האירוע המפתח השלישי המכריע בספטמבר אשתקד.
"האפשרות שתוכל למדוד תורת היחסות הכללית במרכז הגלקטי קיימת כבר עשור", אומר דו. "להגיד שנוכל סוף סוף לעשות את זה - זה בעיניי מסמל את תחילתו של עידן של עוד יותר מבחני כוח משיכה סביב מרכז הגלקסיה ופותח הרבה דרכים לעוד מדע סביב החור השחור העל-מסיבי." צוות המחקר ימשיך לעקוב אחר תנועותיהם של כוכבי ה- S, ויבחן עמוק יותר בתעלומות החורים השחורים והפיזיקה השולטת ביקום שלנו.
