Спустя более чем 100 лет после того, как Альберт Эйнштейн опубликовал свою известную общую теорию относительности, она начинает трещать по швам: так, ее не получается переформулировать как классический предел все более развивающейся квантовой теории. Но все же 25 июля в журнале Science профессор Калифорнийского университета Андреа Гез и ее исследовательская группа сообщают, что в новом тесте общей теории относительности вблизи гигантской черной дыры в центре нашей галактики она все еще работает.

«Эйнштейн прав, по крайней мере, на данный момент», — сказала Гез, один из ведущих авторов исследования. «Мы можем полностью исключить закон тяготения Ньютона. Наши наблюдения согласуются с общей теорией относительности Эйнштейна. Однако его теория определенно имеет пробел. Она не может полностью объяснить гравитацию внутри черной дыры, и в какой-то момент нам нужно будет двигаться от теории Эйнштейна до более всеобъемлющей теории гравитации, которая объясняет, что такое черная дыра».

Общая теория относительности Эйнштейна 1915 года утверждает, что то, что мы воспринимаем как силу гравитации, возникает в результате искривления пространства и времени. Великий ученый тогда предположил, что такие объекты, как Солнце и Земля, изменяют геометрию пространства. Теория Эйнштейна — пока что лучшее описание того, как работает гравитация, говорит Гез, чья команда астрономов провела прямые измерения этого явления вблизи сверхмассивной черной дыры — исследование, которое Гез описывает как «экстремальную астрофизику».

Законы физики, включая гравитацию, должны быть действительны везде во Вселенной, сказала Гез, добавляя, что ее исследовательская группа является одной из двух по всем мире, способных наблюдать, как звезда, известная как S0-2, делает полный оборот в трех измерениях вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. На один виток у нее уходит 16 лет, а масса черной дыры, известной как Стрелец А*, примерно в четыре миллиона раз больше массы Солнца.

Sagittarius A*.jpg
Стрелка указывает на местоположение черной дыры Стрелец А* в центре нашей галактики.

Ключевыми данными в новой работе были спектры «любимой звезды» (так команда Гез назвала S0-2), которые они проанализировали в апреле, мае и сентябре 2018 года — в те моменты, когда звезда максимально приблизилась к огромной черной дыре. Спектры, которые Гез описала как «радуга света» от звезд, показывают интенсивность каждой длины волны излучаемого света и предоставляют важную информацию о звезде, от которой распространяется свет — например, показывают ее состав. Эти данные были объединены с измерениями, которые Гез и ее команда проводили последние 24 года.

Изображения звезды, полученные исследователями в Обсерватории Кека на Гавайях, дают только два измерения (то есть орбита получается в 2D). Спектры, собранные в этой же обсерватории с использованием спектрографа, построенного в Калифорнийском университете группой, возглавляемой Джеймсом Ларкиным, обеспечивают третье измерение, что в итоге делает возможным получение 3D-орбиты звезды с потрясающим уровнем точности.

«Что такого особенного в S0-2, так это то, что мы имеем ее полную орбиту в трех измерениях», — сказала Гез. «Это то, что дает нам входной билет в тесты общей теории относительности. Мы спросили себя, как гравитация ведет себя вблизи сверхмассивной черной дыры и объясняет ли нам теория Эйнштейна полную историю движения. Наблюдение за тем, как звезды проходят свою полную орбиту, дает возможность проверить фундаментальную физику».

Ученые изучали фотоны — частицы света — когда они путешествовали от S0-2 до Земли. S0-2 движется с огромной скоростью, более 10 миллионов километров в час в ближайшей к черной дыре точке орбиты, что составляет 3% от скорости света. С учетом того, что в моменты максимального сближения расстояние между звездой и черной дырой составляет всего 120 астрономических единиц (а.е., среднее расстояние от Земли до Солнца), а сама дыра имеет диаметр в 1/6 а.е., то по теории относительности Эйнштейна мы получаем, что для того, чтобы вырваться из гравитационного поля черной дыры, фотоны должны делать дополнительную работу. Их длина волны, когда они покидают звезду, зависит не только от того, насколько быстро звезда движется, но также и от того, сколько энергии фотоны расходуют на выход из мощного гравитационного поля черной дыры.

Исследовательская группа проверила следствие общей теории относительности, известное как «красное смещение», в котором гравитация может искажать свет. Так же, как гудок тепловоза звучит выше тоном, когда он движется к нам, и более низким тоном, когда он уезжает от нас, свет, попадающий в гравитационное поле, смещается в синий конец спектра, в то время как свет, выходящий из гравитационного поля, краснеет — именно это и происходит со светом далеких звезд, что и дало название явлению.



Спектр света S0-2 показал, что красное смещение, которое он испытал от экстремальной гравитации Стрельца А*, соответствовало общей теории относительности. Было необычно увидеть тут подтверждение общей теории относительности, особенно если учесть, что «чёрные дыры, а тем более сверхмассивные чёрные дыры, даже не были известны, когда Эйнштейн создал свою теорию», — сказал До.

«Эти измерения свидетельствуют о начале новой эры, когда мы можем наконец проверить природу гравитации, используя орбиты звезд вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики», — говорит ведущий автор исследования Туан До, астрофизик из Университета Калифорнии. «Теоретические выкладки были сделаны давно, но действительно здорово, что мы наконец можем проверить их на практике», — добавил он. «Это веха на пути к будущему, к более детальным тестам общей теории относительности и других теорий гравитации».

Черные дыры имеют такую ​​мощную гравитацию, что ничто не может избежать их притяжения, даже свет. Они не могут быть видны напрямую, но их влияние на близлежащие звезды и искажение света рядом с ними позволяет «очерчивать» их границы. Как только что-то пересекает горизонт событий черной дыры, оно уже не сможет вырваться. Однако звезда S0-2 находится относительно далеко от горизонта событий, даже при максимальном сближении, поэтому ее фотоны мы все же можем регистрировать на Земле.

«Проведение измерений такого фундаментального значения потребовало многих лет терпеливого наблюдения, которое было обеспечено современными технологиями», — сказал Ричард Грин, директор отдела астрономических наук Национального научного фонда. На протяжении более двух десятилетий фонд поддерживал Гез, а также работу нескольких приборов, имеющих решающее значение для открытия исследовательской группы. «Благодаря своим тщательным усилиям, Гез и ее сотрудники создали очень важное подтверждение идеи Эйнштейна о гравитации».

Картинки по запросу S2
Изображение орбит звезд вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Выделена орбита S0-2, первой звезды, орбита которой известна достаточно точно, чтобы проверить общую теорию относительности Эйнштейна.

Директор Обсерватории Кека Хилтон Льюис назвал Гез «одним из наших самых страстных и упорных пользователей». «Ее последнее новаторское исследование», — сказал он, «является кульминацией непоколебимой приверженности науки за последние два десятилетия, что позволило раскрыть тайны сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный путь».

Гез имела ​​возможность представить частичные данные прошлым летом, но она предпочла не делать этого, чтобы ее команда могла сначала тщательно проанализировать полученные результаты. «Мы изучаем, как работает гравитация. Это одна из четырех фундаментальных сил и та, которую мы знаем хуже всего», — сказала она. «Есть много регионов, где мы просто не спрашивали, как работает гравитация. Легко быть слишком самоуверенным, и есть много способов неверно интерпретировать данные, много способов, в которых небольшие ошибки могут накапливаться в значительные искажения, поэтому мы не спешили с нашим анализом». И это не пустые слова: Гез изучает более 3000 звезд, которые вращаются вокруг сверхмассивной черной дыры. По ее словам, сотни из них молоды и находятся в регионе, где астрономы вообще никак не ожидали их увидеть.

Фотонам от S0-2 требуется 26 000 лет, чтобы достигнуть Земли. «Мы были взволнованы и годами готовились к проведению этих измерений», — сказала Гез. «Для нас интуитивно кажется, что это происходит сейчас, но это на самом деле это произошло 26 000 лет назад!»

Kecknasa.jpg
Обсерватория Кека на Гавайях.

Это первый из многих тестов общей теории относительности, которые исследовательская группа Гез планирует провести на звездах возле сверхмассивной черной дыры. Среди звезд, которые ее больше всего интересуют, находится S0-102, у которой самая короткая орбита — для полного оборота ей достаточно всего 11.5 лет. У большинства звезд, изучаемых Гез, орбиты намного длиннее, чем продолжительность жизни человека.

Команда Гез проводила измерения примерно каждые четыре ночи в решающие периоды в 2018 году с помощью Обсерватории Кека, которая находится на вершине бездействующего вулкана Мауна-Кеа на Гавайях и где находится один из крупнейших в мире оптических и инфракрасных телескопов. Измерения также проводились с помощью телескопов в Обсерватории Джемини и на телескопе Субара, также на Гавайях.