Astronaujiena. Reliatyvumo teorija (ir vėl) patvirtinta

Bendroji reliatyvumo teorija, aprašanti, kaip veikia Visata makroskopiniais masteliais, per pastarąjį šimtmetį patikrinta daugybę kartų, ir visus bandymus atlaikė sėkmingai. Šiandien Europos pietinės observatorijos komanda pristatė naujus rezultatus, kurie dar sykį patvirtina reliatyvumo teorijos prognozę. Šįkart prognozė patikrinta stebint žvaigždės judėjimą aplink juodąją skylę Paukščių Tako Galaktikos centre.

Dailininko vizualizacija, kaip galėtų atrodyti žvaigždė S2, skrendanti šalia Paukščių Tako centrinės juodosios skylės Sgr A*. ©ESO
Dailininko vizualizacija, kaip galėtų atrodyti žvaigždė S2, skrendanti šalia Paukščių Tako centrinės juodosios skylės Sgr A*. ©ESO

Mūsų Galaktikos centre yra supermasyvi juodoji skylė, kurios masė siekia 4,3 milijono Saulės masių. Aplink ją skrieja keli šimtai jaunų žvaigždžių, sudarančių vadinamąjį S spiečių. Pirmosios S žvaigždės aptiktos prieš maždaug tris dešimtmečius; nuo tada jų judėjimas reguliariai stebimas. Trumpiausią sukimosi periodą turinti žvaigždė S2 aplink juodąją skylę apsisuka per kiek daugiau nei 15 metų. Ir štai visai neseniai, prieš porą mėnesių, antrą kartą galėjome stebėti jos arčiausią priartėjimą prie juodosios skylės (pirmasis užfiksuotas priartėjimas buvo, aišku, prieš 15 su trupučiu metų, 2003-ųjų pradžioje). Artimiausiame orbitos taške S2 greitis pasiekia tris procentus šviesos greičio – to pakanka, kad žvaigždės orbitai pasireikštų pastebimi reliatyvistiniai efektai, kuriuos išmatavę galime palyginti juos su klasikinės (Niutono) mechanikos ir reliatyvumo teorijos prognozėmis.

S2 žvaigždės orbitos schema. Apskritimai, trikampiai ir kvadratai rodo stebėjimų skirtingais instrumentais momentus, spalvos atitinka stebėjimų laiką nuo maždaug 2000 metų iki dabar. ©GRAVITY Collaboration 2018
S2 žvaigždės orbitos schema. Apskritimai, trikampiai ir kvadratai rodo stebėjimų skirtingais instrumentais momentus, spalvos atitinka stebėjimų laiką nuo maždaug 2000 metų iki dabar. ©GRAVITY Collaboration 2018

Stipriausias reliatyvistinis efektas, veikiantis S2 orbitą, yra pericentro – artimiausio juodajai skylei taško – precesija. Klasikinėje mechanikoje žvaigždės orbita būtų „uždara“ - apsukusi elipsę, žvaigždė grįžtų į tą patį tašką. Reliatyvistiniai efektai sukelia to taško judėjimą apskritimu aplink juodąją skylę, taigi orbita iš uždaros elipsės pavirsta panašia į daugybę žiedlapių turintį gėlės žiedą. Toks pat efektas veikia ir Saulės sistemos planetas, ypač Merkurijų. Reliatyvumo teorijos pateiktas paaiškinimas apie Merkurijaus precesiją buvo vienas iš pirmų įrodymų, kad ji yra tinkamesnis už klasikinę mechaniką realybės apibūdinimas. Tiesa, ir Saulės sistemos planetas, ir žvaigždes Galaktikos centre veikia ne tik centrinio objekto, bet ir kitų, mažesnių kaimynių gravitacija, todėl precesija vyksta ir be reliatyvistinių efektų. Norint nustatyti reliatyvistinį poveikį, reikia labai tikslių skaičiavimų ir labai tikslaus prietaiso.

Toks prietaisas yra Europos pietinės observatorijos Labai dideliame teleskope (VLT) sumontuotas GRAVITY. Observatorijos atstovai prietaiso stebėjimų tikslumą vaizdžiai įvardina taip: jei Mėnulyje vyktų futbolo rungtynės, Čilėje esantį GRAVITY būtų galima naudoti kaip vaizdo registravimo prietaisą patikrinimui, ar kamuolys tikrai kito vieną iš aikštelės linijų. Mėnulio atstumu prietaisas gali išskirti 6 cm dydžio objektus. Galaktikos centro nuotoliu išskiriamas atstumas pasidaro maždaug ketvirtis astronominio vieneto – mažesnis, nei Merkurijaus orbita aplink Saulę.

GRAVITY prietaisas. ©ESO

Visgi net ir tokio tikslumo nepakanka, norint nustatyti S2 padėties pokytį orbitos pericentro metu. Tačiau naudojant GRAVITY galima labai tiksliai išmatuoti ir žvaigždės judėjimo greitį, o jis priklauso nuo orbitos savybių. Jei orbita precesuoja tik dėl nereliatyvistinių efektų – kitų žvaigždžių gravitacijos – greičio kitimas laikui bėgant bus vienoks, jei precesijai įtakos turi ir reliatyvistiniai efektai – kitoks. Greičių skirtumas labiausiai išryškėja būtent pericentro metu, kai pats greitis yra didžiausias. Taigi, turėdami labai tikslius greičio matavimus, astronomai galėjo juos palyginti su prognozėmis, kurias duoda Niutono mechanika ir reliatyvumo teorija. Skirtumą tarp šių prognozių jie išreiškė parametru f, kintančiu nuo nulio iki vieneto: f=0 reiškia, kad duomenys visiškai atitinka niutoninę prognozę, f=1 – reliatyvistinę. Gautas rezultatas – f = 0,90 \pm 0,17, t. y. rezultatas paklaidų ribose atitinka reliatyvumo teorijos prognozę. Tuo tarpu niutoninė prognozė yra labai toli už paklaidų ribos.

Pagrindinis stebėjimų rezultatas – S2 žvaigždės greičio duomenys (taškai su paklaidomis), niutoninė prognozė (horizontali linija ties v = 0) ir reliatyvistinė prognozė (kreivė). Akivaizdu, kad duomenys daug geriau atitinka reliatyvistinę, o ne niutoninę prognozę. ©GRAVITY Collaboration 2018
Pagrindinis stebėjimų rezultatas – S2 žvaigždės greičio duomenys (taškai su paklaidomis), niutoninė prognozė (horizontali linija ties v = 0) ir reliatyvistinė prognozė (kreivė). Akivaizdu, kad duomenys daug geriau atitinka reliatyvistinę, o ne niutoninę prognozę. ©GRAVITY Collaboration 2018

Šio atradimo svarba yra įvairialypė. Kol kas astrofizikinių reliatyvumo teorijos patikrinimų buvo ne tiek ir daug – pačių autorių teigimu, šis rezultatas yra tik aštuntas (jei visus gravitacinių bangų signalus skaičiuosime kaip vieną). Paukščių Tako centrinė juodoji skylė kol kas tokiuose patikrinimuose panaudota nebuvo; tiesa, šiuo metu analizuojami didžiulio projekto Įvykių horizonto teleskopo (Event Horizon Telescope) surinkti duomenys, kurie turėtų atskleisti, ar šviesa prie pat juodosios skylės iškreipiama taip, kaip prognozuoja reliatyvumo teorija. Tai yra antra didžiausia masė, panaudota reliatyvumo teorijai patikrinti – didesnės masės buvo tik juodoji skylė aktyvioje galaktikoje MCG-6-30-15, kurią supančio akrecinio disko forma tiksliai atitinka reliatyvistinę prognozę. Gravitacinio lauko stiprumas – ir, analogiškai, judėjimo greitis – didesnis buvo tik dviejuose ankstesniuose patikrinimuose: jau minėtuose gravitacinių bangų aptikimuose ir MCG-6-30-15 akreciniame diske. Šitaip ne tik dar kartą patikrinama reliatyvumo teorija, bet ir parodoma, kad jos prognozės veikia ir tokių masių bei greičių ruože – tai irgi yra svarbu, nes mūsų supratimas apie Visatą remiasi prielaida, kad fizikos dėsniai visur, visada ir visokiomis sąlygomis galioja vienodai. Taip pat šis atradimas padės geriau analizuoti tolesnį artimų juodajai skylei žvaigždžių judėjimą ir suprasti jų tarpusavio sąveiką.

S2 stebėjimai taip pat buvo panaudoti patikslinti juodosios skylės masei ir atstumui iki jos. Remiantis vien naujaisiais duomenimis, tikėtiniausia masė yra apie 4,1 milijono Saulės masių, o atstumas – 8,15 kiloparseko. Abu šie dydžiai yra mažesni, nei šiuo metu įprastos vertės (atitinkamai 4,3 milijono Saulės masių ir 8,3 kiloparseko). Tiesa, tai nereiškia, kad įprastas vertes reikėtų pakeisti – jos gautos apjungus daugelio žvaigždžių orbitų bei juodosios skylės žybsnių stebėjimus, todėl yra statistiškai patikimesnės, nei vienos žvaigždės stebėjimai, kad ir kokie tikslūs jie būtų.

Plačiau skaitykite Europos pietinės observatorijos pranešime spaudai ir moksliniame straipsnyje, kurį rasite arXiv.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *