Test af Einsteins ækvivalensprincip nær et supermassivt sort hul

GRAVITY -samarbejdet, et team af forskere på flere kendte institutter, herunder Max Planck Institute, LESIA Paris Observatory og European Southern Observatory, for nylig har testet en del af Einstein -ækvivalensprincippet, nemlig den lokale positon invariance (LPI), nær det galaktiske center supermassive sorte hul. Deres undersøgelse, offentliggjort på Physics Review Letters (PRL), undersøgte afhængigheden af ​​forskellige atomovergange af tyngdekraftpotentialet for at give en øvre grænse for LPI -krænkelser.

"Generel relativitet og generelt alle metriske teorier om tyngdekraft er baseret på ækvivalensen af ​​inertimasse og tyngdekraftsmasse, formaliseret i Einstein -ækvivalensprincippet, "Maryam Habibi, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Generel relativitet er den bedste tyngdekraftsteori, vi har, imidlertid, der er stadig mange ubesvarede gåder, der er tæt knyttet til vores ufuldstændige forståelse af tyngdekraften. "

Ækvivalensprincippet, en afgørende del af Einsteins generelle relativitetsteori, fastslår, at tyngdekraften, der opleves i enhver lille region i rumtid, er den samme som pseudokraften, som en observatør oplever i en accelereret referenceramme. Test af dette princip er af afgørende betydning, da det kunne føre til interessante observationer og udvide vores nuværende forståelse af tyngdekraften.

"Einsteins ækvivalensprincip består af tre hovedprincipper, "Forklarede Habibi." En af dem, kaldet den lokale position invariance (LPI), fastslår, at ikke-gravitationsmålinger bør være uafhængige af placeringen i rumtiden (karakteriseret ved gravitationspotentiale), hvor de udføres. Hoveddelen af ​​vores undersøgelse fokuserer på at teste LPI -princippet. "

Tidligere observationer tyder på, at de fleste, hvis ikke alle, massive galakser indeholder et supermassivt sort hul, som typisk er placeret i midten af ​​en galakse. Massen af ​​Mælkevejens galaktiske center supermassive sorte hul er 4 millioner gange større end solens. Det genererer således det stærkeste gravitationsfelt i galaksen, hvilket gør det til det ideelle sted at jage efter uudforskede fænomener og teste generelle relativitetsprincipper.

Star S2, en af ​​de klareste stjerner i Mælkevejens inderste område, har sit nærmeste møde med det galaktiske center supermassive sorte hul i en afstand på 16,3 lystimer. Med andre ord, stjernen tager 16 år at lave en komplet bane omkring det sorte hul, som i astronomiske tidsskalaer er ekstremt kort. S2 bevæger sig ind og ud af det sorte huls tyngdefelt, derfor besluttede GRAVITY -samarbejdsteamet at bruge det til at teste en del af Einsteins ækvivalensprincip.

"Som det var forudsagt, og vi viste i en tidligere undersøgelse offentliggjort i juni 2018, under den nærmeste tilgang af stjernen S2 til det sorte hul observerer vi 'gravitationsrødforskydningen' i stjernens lys, "Habibi forklarede." Gravitationsrødforskydning opstår, fordi intens tyngdekraft på stjernens overflade bremser vibrationer fra lysbølger, strække dem og få stjernen til at se rødere ud end normalt fra Jorden. "

For at teste Einsteins LPI -princip, forskerne brugte to forskellige typer atomer i S2s stjernestemning:hydrogen- og heliumatomer. LPI -princippet siger, at den gravitationsrøde forskydning set i en stjerne, der flyver ind og ud af et stærkt gravitationsfelt, kun afhænger af gravitationspotentialet og ikke er afhængig af andre parametre, såsom atomets indre struktur.

"Vi målte frekvensændringen af ​​lys fra disse atomer, der bevæger sig gennem et varierende potentiale, "Sagde Habibi." Lysbølgernes vibrationer blev målt ved at tilpasse S2-spektrets synshastighed ved hjælp af brint- og heliumspektrallinierne separat. Ved at måle forskellen i frekvensændring for begge atomer var vi i stand til at give en øvre grænse for LPI -krænkelsen under pericenterpassagen. Hvis der var en åbenbar krænkelse af LPI, vi skulle have målt meget forskellige vibrationer af lysbølger, fra helium- og brintlinjerne. "

Ækvivalensprincippet og generel relativitet relativitet er blot teorier, derfor skal de testes for at fastslå deres gyldighed. Indtil nu, de fleste forskere har udført test på Jorden og i solsystemet.

Imidlertid, disse teorier bør også testes i ekstreme scenarier, da dette kan afgøre, om de stadig holder og føre til mere afgørende bevis. Sådanne tests kan udelukke nogle af de principper, der former vores nuværende forståelse af tyngdekraften eller identificere krænkelser fra teorien om generel relativitetsteori.

"At teste ækvivalensprincippet i alle forskellige regimer er vigtigt, da flere alternative gravitationsteorier forudsiger en krænkelse fra det under ekstreme forhold, "Felix Widmann, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "For mig er det mest meningsfulde fund i vores undersøgelse, at vi var i stand til at teste ækvivalensprincippet i dette mest ekstreme tilfælde:tæt på et supermassivt sort hul, der er over 20 tusinde lysår væk. De grænser, vi sætter for en overtrædelse, er ikke meget restriktiv endnu, men de befinder sig i et tyngdekraftsregime, der før var fuldstændig uprøvet. "

Habibi, Widmann og deres kolleger var blandt de første til at teste en del af ækvivalensprincippet nær Mælkevejens centrale supermassive sorte hul. Deres arbejde giver værdifuld indsigt om gyldigheden af ​​generel relativitet, især LPI -princippet.

"Det sidste år var usædvanligt vellykket for GRAVITY -samarbejdet, "Sagde Widmann." For første gang, vi observerede relativistiske virkninger i en stjernes kredsløb omkring et supermassivt sort hul og brugte denne stjerne til at teste ækvivalensprincippet. Vi observerede også materiale, der kredsede meget tæt på det sorte hul, en anden observation, som ville have været umulig uden GRAVITY. Imidlertid, det er mere en start end en ende for os. "

Med den optimale sæson til galaktisk centerobservation lige rundt om hjørnet, forskerne ved GRAVITY -samarbejdet vil fortsat rette deres teleskoper mod S2 og det galaktiske center supermassive sorte hul. Ifølge Widmann, holdet vil måske snart kunne opdage subtilere relativistiske effekter i kredsløbet om S2, hvilket vil give dem mulighed for at teste den generelle relativitetsteori igen. I deres fremtidige observationer, forskerne håber også, at de vil se mere blussaktivitet omkring det sorte hul, da dette ville muliggøre yderligere undersøgelser med det formål at udvide deres forståelse af Mælkevejens sorte hul i galaktiske senter og sorte huller generelt.

"Med fremtidige teleskoper som det ekstremt store teleskop, som har et spejl på 39m i diameter, vi vil være i stand til at udføre lignende eksperimenter og lede efter 1 million gange mindre effekter af mulige overtrædelser af LPI, i forhold til hvad det er muligt i dag, "Tilføjede Widmann." Dette giver os mulighed for at teste den anden del af Einsteins ækvivalensprincip, kaldet svagt ækvivalensprincip, som siger, at et objekt i gravitationsfrit fald fysisk svarer til et objekt, der accelererer med den samme mængde kraft i fravær af tyngdekraften. Det galaktiske center er et unikt observatorium, og med GRAVITY og fremtidige teleskoper ønsker vi at lære så meget om det som muligt. "

© 2019 Science X Network