Einsteins generelle relativitetsteori stilles spørgsmålstegn ved, men står stadig for nu

Mere end 100 år efter, at Albert Einstein offentliggjorde sin ikoniske teori om generel relativitet, det begynder at flå i kanterne, sagde Andrea Ghez, UCLA professor i fysik og astronomi. Nu, i den mest omfattende test af generel relativitet nær det uhyrlige sorte hul i midten af ​​vores galakse, Ghez og hendes forskerhold rapporterer 25. juli i tidsskriftet Videnskab at Einsteins generelle relativitetsteori holder.

"Einsteins ret, i hvert fald for nu, "sagde Ghez, medlederforfatter af forskningen. "Vi kan absolut udelukke Newtons tyngdelov. Vores observationer er i overensstemmelse med Einsteins generelle relativitetsteori. Imidlertid er hans teori viser bestemt sårbarhed. Det kan ikke helt forklare tyngdekraften inde i et sort hul, og på et tidspunkt bliver vi nødt til at gå ud over Einsteins teori til en mere omfattende tyngdekraftsteori, der forklarer, hvad et sort hul er. "

Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915 fastslår, at det, vi opfatter som tyngdekraften, stammer fra krumning af rum og tid. Forskeren foreslog, at genstande som solen og Jorden ændrer denne geometri. Einsteins teori er den bedste beskrivelse af, hvordan tyngdekraften fungerer, sagde Ghez, hvis UCLA-ledede team af astronomer har foretaget direkte målinger af fænomenet nær et supermassivt sort hul-forskning Ghez beskriver som "ekstrem astrofysik."

Fysikkens love, herunder tyngdekraften, burde være gyldig overalt i universet, sagde Ghez, der tilføjede, at hendes forskerhold er en af ​​kun to grupper i verden, der ser en stjerne kendt som S0-2 lave en komplet bane i tre dimensioner omkring det supermassive sorte hul i midten af ​​Mælkevejen. Hele kredsløbet tager 16 år, og det sorte huls masse er omkring fire millioner gange solens.

Forskerne siger, at deres arbejde er den mest detaljerede undersøgelse, der nogensinde er foretaget i det supermassive sorte hul og Einsteins teori om generel relativitet.

De centrale data i forskningen var spektre, som Ghez 'team analyserede i april, Maj og september, da hendes "yndlingsstjerne" nærmede sig det enorme sorte hul. Spectra, som Ghez beskrev som "lysets regnbue" fra stjerner, vise lysets intensitet og tilbyde vigtig information om stjernen, hvorfra lyset bevæger sig. Spectra viser også stjernens sammensætning. Disse data blev kombineret med målinger, Ghez og hendes team har foretaget i løbet af de sidste 24 år.

Spectra - indsamlet på W.M. Keck -observatoriet på Hawaii ved hjælp af et spektrograf bygget på UCLA af et team ledet af kollega James Larkin - giver den tredje dimension, afslører stjernens bevægelse med et niveau af præcision, der ikke tidligere er opnået. (Billeder af den stjerne, forskerne tog på Keck -observatoriet, giver de to andre dimensioner.) Larkins instrument tager lys fra en stjerne og spreder den, ligner den måde regndråber spreder lys fra solen for at skabe en regnbue, Sagde Ghez.

"Det særlige ved S0-2 er, at vi har sin komplette bane i tre dimensioner, "sagde Ghez, der har Lauren B. Leichtman og Arthur E. Levine -stolen i astrofysik. "Det er det, der giver os adgangsbilletten til de generelle relativitetstests. Vi spurgte, hvordan tyngdekraften opfører sig i nærheden af ​​et supermassivt sort hul, og om Einsteins teori fortæller os hele historien. At se stjerner gå gennem deres komplette kredsløb giver den første mulighed for at teste grundlæggende fysik ved hjælp af disse stjerners bevægelser. "

Ghez's forskerhold var i stand til at se sammenblanding af rum og tid nær det supermassive sorte hul. "I Newtons version af tyngdekraften, rum og tid er adskilte, og bland ikke sammen; under Einstein, de blander sig fuldstændigt i nærheden af ​​et sort hul, " hun sagde.

"At foretage en måling af en så grundlæggende betydning har krævet mange års patientobservation, muliggjort af state-of-the-art teknologi, "sagde Richard Green, direktør for National Science Foundation's afdeling for astronomiske videnskaber. I mere end to årtier har divisionen har støttet Ghez, sammen med flere af de tekniske elementer, der er kritiske for forskerholdets opdagelse. "Gennem deres strenge indsats, Ghez og hendes samarbejdspartnere har frembragt en stor validering af Einsteins idé om stærk tyngdekraft. "

Keck Observatory Director Hilton Lewis kaldte Ghez "en af ​​vores mest passionerede og ihærdige Keck -brugere." "Hendes seneste banebrydende forskning, " han sagde, "er kulminationen på den urokkelige forpligtelse i løbet af de sidste to årtier til at låse op for mysterierne om det supermassive sorte hul i centrum af vores Mælkeveens galakse."

Forskerne studerede fotoner-lyspartikler-da de rejste fra S0-2 til Jorden. S0-2 bevæger sig rundt om det sorte hul ved blærehastigheder på mere end 16 millioner miles i timen ved sin nærmeste tilgang. Einstein havde rapporteret, at i denne region tæt på det sorte hul, fotoner skal udføre ekstra arbejde. Deres bølgelængde, når de forlader stjernen, afhænger ikke kun af, hvor hurtigt stjernen bevæger sig, men også på, hvor meget energi fotoner bruger for at slippe ud af det sorte huls kraftfulde tyngdefelt. Tæt på et sort hul, tyngdekraften er meget stærkere end på Jorden.

Ghez fik lejlighed til at præsentere delvise data sidste sommer, men valgte ikke at gøre det, så hendes team først kunne analysere dataene grundigt. "Vi lærer, hvordan tyngdekraften fungerer. Det er en af ​​fire grundlæggende kræfter, og den, vi har testet mindst, "sagde hun." Der er mange regioner, hvor vi bare ikke har spurgt, hvordan virker tyngdekraften her? Det er let at være overmodig, og der er mange måder at misfortolke dataene på, mange måder, hvorpå små fejl kan akkumuleres til væsentlige fejl, derfor skyndte vi os ikke med vores analyse. "

Ghez, modtager i 2008 af MacArthur "Genius" Fellowship, studerer mere end 3, 000 stjerner, der kredser om det supermassive sorte hul. Hundreder af dem er unge, hun sagde, i en region, hvor astronomer ikke forventede at se dem.

Det tager 26, 000 år for fotoner fra S0-2 at nå Jorden. "Vi er så spændte, og har forberedt mig i årevis på at foretage disse målinger, "sagde Ghez, der leder UCLA Galactic Center Group. "For os, det er visceralt, det er nu - men det skete faktisk 26, Tusind år siden! "

Dette er den første af mange test af generel relativitet, Ghez's forskerhold vil udføre på stjerner nær det supermassive sorte hul. Blandt de stjerner, der interesserer hende mest, er S0-102, som har den korteste bane, tager 11 1/2 år at fuldføre en fuld bane omkring det sorte hul. De fleste af de stjerner Ghez -undersøgelser har kredsløb, der er meget længere end en menneskelig levetid.

Ghez 'team tog målinger cirka hver fjerde nat i afgørende perioder i 2018 ved hjælp af Keck -observatoriet - som ligger oven på Hawaii's sovende Mauna Kea -vulkan og huser et af verdens største og førende optiske og infrarøde teleskoper. Målinger foretages også med et optisk-infrarødt teleskop ved Gemini Observatory og Subaru Telescope, også på Hawaii. Hun og hendes team har brugt disse teleskoper både på stedet på Hawaii og eksternt fra et observationsrum i UCLAs afdeling for fysik og astronomi.

Sorte huller har så høj tæthed, at intet kan undslippe deres tyngdekraft, ikke engang lys. (De kan ikke ses direkte, men deres indflydelse på nærliggende stjerner er synlig og giver en signatur. Når noget krydser "begivenhedshorisonten" i et sort hul, det vil ikke være i stand til at flygte. Imidlertid, stjernen S0-2 er stadig ret langt fra begivenhedshorisonten, selv i den nærmeste tilgang, så dets fotoner ikke bliver trukket ind.)