Общата теория на относителността на Айнщайн е поставена под въпрос, но засега все още остава

Превод: Елена Страхилова

Източник: ScienceDaily

 

„Повече от сто години след като Алберт Айнщайн публикува емблематичната си Обща теория за относителността, тя започва да се пропуква в краищата”, заяви Андреа Гез, професор по физика и астрономия от UCLA (Калифорнийски университет, Лос Анджелис). Сега, в най-обширния тест, който се прави на тази теория, в близост до чудовищната черна дупка в центъра на нашата галактика, Гез и нейният изследователски екип съобщиха на 25 юли в списание Science, че теорията на относителността на Айнщайн е под въпрос.

„Айнщайн е прав, поне засега”, твърди Гез. „Ние можем напълно да изключим закона за гравитацията на Нютон. Наблюденията ни са в съответствие с теорията на относителността на Айнщайн. Въпреки това обаче неговата теория показва уязвимост. Тя не може напълно да обясни гравитацията вътре в една черна дупка и в един момент ще ни се наложи да преминем отвъд тази теория до една по-всеобхватна теория на гравитацията, която да обясни какво е черна дупка.”


РЕКЛАМА:

***

Общата теория на относителността на Айнщайн от 1915 г. твърди, че това, което ние възприемаме като сила на гравитацията, възниква от кривината на пространството и времето. Ученият предполагаше, че обекти като Слънцето и Земята променят тази геометрия. „Теорията на Айнщайн е най-доброто описание на това как действа гравитацията”, казва Гез, чийто екип от астрономи е направил директни измервания на феномена в близост до свръхмасивна черна дупка – едно изследване, което Гейз описва като „екстремна астрофизика”.

Законите на физиката, включително гравитацията, трябва да са валидни навсякъде във Вселената, твърди Гез, добавяйки че нейният изследователски екип е едната от единствените две групи в света, които наблюдават как звезда, известна като S0-2, прави пълна орбита в три измерения около свърхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път. Пълната орбита отнема 16 години, а масата на черната дупка е около четири милиона пъти по-голяма от тази на Слънцето.

Учените казват, че тяхното изследване е най-подробното правено някога за свръхмасивната черна дупка и теорията на Айнщайн.

Основните данни в изследването са спектри, които екипът на Гез анализира през април, май и септември, когато нейната „любима звезда” извърши най-близкия си подход към огромната черна дупка. Спектрите, които Гез определя като „дъга от светлината” на звездите, показват интензитета на светлината и предоставят важна информация за звездата, от която светлината тръгва. Спектрите показват и звездния състав. Тези данни бяха комбинирани с измервания, които Гез с екипа си прави през последните 24 години.

Спектри събрани в W.M. KeckObservatory в Хавай с помощта на спектрограф в UCLA от екип под ръководството на Джеймс Ларкин, предоставят третото измерение като разкриват движението на звездата с ниво на прецизност, което не е постигано до този момент. „Инструментът на Ларкин взема светлина от звездата и я разпръсква подобно на начина, по който дъждовните капки разпръскват светлината от слънцето, за да създадат дъга”, обяснява Гез.

„Това, което е толкова специално за S0-2, е че имаме пълната й орбита в три измерения”, продължава Гез. „Това ни дава билет за започване на тестове на общата относителност. Попитахме как гравитацията се държи в близост до свръхмасивна черна дупка и дали теорията на Айнщайн ни разкрива пълната история. Наблюдението как звездите преминават през пълната си орбита ни предоставя първата възможност за тестване на фундаменталната физика, използвайки движенията на звездите.”

Екипът на Гез успява да види смесването на пространство и време в близост до свръхмасивна черна дупка. „Във версията на гравитацията на Нютон пространството и времето са отделни и не се смесват; при Айнщайн те се смесват напълно в близост до черна дупка”, казва тя.

„Извършването на изследване от такава фундаментална важност изисква години наблюдение, осигурено чрез най-съвременните технологии”, обяснява Ричард Грийн, директор на отдела за астрономически науки на Националната фондация за наука. Повече от две десетилетия отделът подкрепя Гез, предоставяйки й някои от техническите компоненти, критични за откритието на изследователския екип. „Чрез големите си усилия Гез и нейните сътрудници са спомогнали за значимо утвърждаване на идеята на Айнщайн за силната гравитация.”

Директорът на обсерваторията Кек Хилтън Люис нарече Гез „един от най-страстните и упорити потребители на Кек.”

„Последното й революционно проучване”, казва той, „е кулминацията на непоколебимите усилия през последните две десетилетия за разкриване на мистериите на свръхмасивната черна дупка в центъра на Млечния път.”

Учените изследвали фотоните, частиците светлина, докато пътували от S0-2 до Земята. S0-2 се движи около черната дупка със скорост над 16 милиона мили в час при най-близкия си подход. Айнщайн беше съобщил, че в този район близо до дупката фотоните трябва да извършат допълнителна работа. Дължината на вълната им при напускане на звездата зависи не само от това колко бързо се движи тя, но и от това колко енергия изразходват фотоните, за да избягат от мощното гравитационно поле на черната дупка. В близост до черната дупка гравитацията е много по-силна отколкото на Земята.

Гез получи възможността да представи частични данни миналото лято, но избра да не го прави, за да може екипът й първо да анализира подробно данните. „Ние научаваме как работи гравитацията. Това е една от четирите основни сили и то тази, която сме тествали най-малко”, казва тя. „Има много райони, в които просто не сме проверили как тя действа. Лесно е да си самоуверен и има много начини за погрешно тълкуване на данните, както и много начини малките грешки да се натрупат в големи грешки, поради което решихме да не бързаме с анализа.”

Гез, която през 2008 г. получава стипендията МакАртър „Гениус”, проучва повече от 3000 звезди, които обикалят в орбита около свръхмасивната черна дупка. „Стотици от тях са млади”, казва тя, „в един район, в който астрономите не са очаквали да ги видят.”

Необходими са 26 000 години, за да достигнат фотоните от S0-2 до Земята. „Ние сме толкова развълнувани и от години се подготвяме да осъществим тези измервания”, казва Гез, която ръководи групата на Галактическия център на UCLA. „За нас това се случва сега, но всъщност се е случило преди 26 000 години.”

Това е първият от многото тестове на общата теория на относителността, който екипът на Гез ще проведе със звезди в близост до свръхмасивната черна дупка. Сред тях най-много я интересува S0-102, която има най-късата орбита, отнемаща й 11 и половина години, за да извърши пълна обиколка около черната дупка. Повечето от звездите, които Гез изучава, имат орбити много по-дълги от човешкия живот.

Екипът на Гез прави проучвания на всеки четири нощи през решаващите периоди на 2018 г. в обсерваторията Кек, намираща се върху заспалия вулкан Мауна Кеа на Хаваите, която разполага с едни от най-големите и добри оптично-инфрачервени телескопи в света. Измервания се правят с оптично-инфрачервен телескоп и в обсерваторията Джемини и с телескопа Субару, също на Хаваите. Екипът й е използвал тези телескопи както на място на Хаваите, така и отдалечено от наблюдателна зала в отдела по физика и астрономия на UCLA.

Черните дупки имат толкова висока плътност, че нищо не може да избяга от гравитационното им издърпване, дори светлината. (Те не могат да се забележат директно, но влиянието им върху близките звезди е видимо. След като нещо пресече „хоризонта на събитията” на черна дупка, то не е в състояние да избяга. Но звездата S0-2 все още е по-скоро далеч от този хоризонт, дори при най-близкия й подход, така че фотоните й да не бъдат засмукани).

Съавтори в изследването на Гез са: Туан До, учен от UCLA и заместник-директор на Галактическия център на UCLA; Аурелийн Хиес с докторантура от UCLA, понастоящем изследовател в Парижката обсерватория; Марк Морис, професор по физика и астрономия от UCLA; Ерик Беклин, преподавател по физика и астрономия от UCLA; Смадар Наоз, доцент по физика и астрономия от UCLA; Джесика Лу, бивша аспирантка от UCLA, в момента асистент по астрономия; Девин Чу, завършил UCLA; Грег Мартинес и Шоко Сакай, учени по проекта на UCLA; Шого Нишияма, доцент от Японския университет Мияги; Райнер Шьодел, изследовател от Испанския институт по астрофизика на Андалусия.

Националната фондация за наука финансира през последните 25 години изследванията на Гез. Наскоро нейните проучвания бяха подкрепени и от Фондация Кек, Фондация Гордън и Бети Мур и Фондация Хайзинг-Симонс.


Европейска нощ на учените 2022 г.: