GRAVITY -samarbetet, ett team av forskare vid flera kända institut inklusive Max Planck Institute, LESIA Paris Observatory och European Southern Observatory, har nyligen testat en del av Einsteins ekvivalensprincip, nämligen den lokala positoninvariansen (LPI), nära det galaktiska centrumets supermassiva svarta hål. Deras studie, publicerad på Physics Review Letters (PRL), undersökte beroende av olika atomövergångar på gravitationens potential för att ge en övre gräns för LPI -kränkningar.

"Allmän relativitet och i allmänhet alla metriska teorier om tyngdkraften är baserade på likvärdigheten mellan tröghetsmassa och gravitationsmassa, formaliserad i Einsteins ekvivalensprincip, "Maryam Habibi, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Allmän relativitet är den bästa gravitationsteorin vi har, dock, det finns fortfarande många obesvarade pussel som är nära knutna till vår ofullständiga förståelse av gravitationen. "

Ekvivalensprincipen, en avgörande del av Einsteins allmänna relativitetsteori, säger att gravitationskraften som upplevs i alla små rumstidsområden är densamma som pseudokraften som en observatör upplever i en accelererad referensram. Att testa denna princip är av största vikt, eftersom det kan leda till intressanta observationer och bredda vår nuvarande förståelse av gravitation.

"Einsteins likvärdighetsprincip består av tre huvudprinciper, "Förklarade Habibi." En av dem, kallad lokal position invariance (LPI), säger att icke-gravitationsmätningar ska vara oberoende av platsen i rymdtid (kännetecknad av gravitationskraft) där de utförs. Huvuddelen av vår studie fokuserar på att testa LPI -principen. "

Tidigare observationer tyder på att de flesta, om inte alla, massiva galaxer innehåller ett supermassivt svart hål, som vanligtvis ligger i mitten av en galax. Massan av Vintergatans galaktiska centrum supermassiva svarta hål är 4 miljoner gånger större än solens. Det genererar alltså det starkaste gravitationsfältet i galaxen, vilket gör det till den idealiska platsen att jaga efter outforskade fenomen och testa allmänna relativitetsprinciper.

Star S2, en av de ljusaste stjärnorna i Vintergatans innersta region, har sitt närmaste möte med det galaktiska centrumets supermassiva svarta hål på ett avstånd av 16,3 ljus timmar. Med andra ord, stjärnan tar 16 år att göra en fullständig bana runt det svarta hålet, som i astronomiska tidsskalor är extremt kort. S2 rör sig in och ut ur det svarta hålets gravitationsfält, därför beslutade GRAVITY -samarbetet att använda det för att testa en del av Einsteins likvärdighetsprincip.

"Som det var förutsagt, och vi visade i en tidigare studie publicerad i juni 2018, under det närmaste närmandet av stjärnan S2 till det svarta hålet observerar vi 'gravitationsrödförskjutningen' i stjärnans ljus, "Habibi förklarade." Gravitationsrödförskjutning inträffar eftersom intensiv gravitation på stjärnans yta saktar ner ljusvågornas vibrationer, sträcker dem och får stjärnan att se rödare ut än normalt från jorden. "

För att testa Einsteins LPI -princip, forskarna använde två olika typer av atomer i S2:s stjärnatmosfär:väteatomer och heliumatomer. LPI -principen säger att gravitationsrödförskjutningen som ses i en stjärna som flyger in och ut ur ett starkt gravitationsfält bara beror på gravitationspotentialen och inte förlitar sig på andra parametrar, såsom atomens inre struktur.

"Vi mätte frekvensförändringen av ljus från dessa atomer som rör sig genom en varierande potential, "Sa Habibi." Ljusvågornas vibrationer mättes genom att anpassa synhastigheten för S2:s spektrum med hjälp av väte- och heliumspektrallinjerna separat. Genom att mäta skillnaden i frekvensförändring för båda atomerna kunde vi ge en övre gräns för LPI -kränkningen under pericenterpassagen. Om det fanns en uppenbar kränkning av LPI, vi borde ha mätt väldigt olika vibrationer av ljusvågor, från helium- och väteledningarna. "

Ekvivalensprincipen och allmänna relativiteten i stort sett är bara teorier, därför måste de testas för att säkerställa deras giltighet. Än så länge, de flesta forskare har utfört tester på jorden och i solsystemet.

Dock, dessa teorier bör också testas i extrema scenarier, eftersom detta kan avgöra om de fortfarande håller och leda till mer avgörande bevis. Sådana tester kan utesluta några av de principer som formar vår nuvarande förståelse av gravitation eller identifiera kränkningar från teorin om allmän relativitet.

"Att testa likvärdighetsprincipen i alla olika regimer är viktigt eftersom flera alternativa gravitationsteorier förutspår en kränkning från den under extrema förhållanden, "Felix Widmann, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "För mig är det mest meningsfulla fyndet i vår studie att vi kunde testa ekvivalensprincipen i det här extrema fallet:nära ett supermassivt svart hål som är över 20 tusen ljusår bort. Gränserna vi sätter på en överträdelse är inte mycket restriktiv ännu, men de befinner sig i en gravitationsregim som var helt otestad tidigare. "

Habibi, Widmann och deras kollegor var bland de första som testade en del av likvärdighetsprincipen nära Vintergatans centrala supermassiva svarta hål. Deras arbete ger värdefull insikt om giltigheten av allmän relativitet, särskilt LPI -principen.

"Det senaste året var exceptionellt framgångsrikt för GRAVITY -samarbetet, "Sade Widmann." För första gången, vi observerade relativistiska effekter i en stjärnas bana runt ett supermassivt svart hål och använde denna stjärna för att testa ekvivalensprincipen. Vi observerade också material som kretsar mycket nära det svarta hålet, en annan observation som hade varit omöjlig utan GRAVITY. Dock, det här är mer en början än ett slut för oss. "

Med den optimala säsongen för galaktisk centrumobservation precis runt hörnet, forskarna vid GRAVITY -samarbetet kommer att fortsätta rikta sina teleskop mot S2 och det galaktiska centrumets supermassiva svarta hål. Enligt Widmann, laget kanske snart kan upptäcka subtilare relativistiska effekter i S2 -banan, vilket gör att de kan testa den allmänna relativitetsteorin igen. I deras framtida observationer, forskarna hoppas också att de kommer att se mer blossande aktivitet runt det svarta hålet, eftersom detta skulle möjliggöra ytterligare studier som syftar till att bredda deras förståelse av Vintergatans galaktiska centrum svarta hål och svarta hål i allmänhet.

"Med framtida teleskop som Extremely Large Telescope, som har en spegel på 39 meter i diameter, vi kommer att kunna utföra liknande experiment och leta efter 1 miljon gånger mindre effekter av möjliga kränkningar av LPI, jämfört med vad det är möjligt idag, "Tillade Widmann." Detta gör att vi kan testa den andra delen av Einsteins ekvivalensprincip, kallad svag ekvivalensprincip, som säger att ett objekt i gravitationellt fritt fall fysiskt motsvarar ett objekt som accelererar med samma kraft i frånvaro av gravitation. Det galaktiska centrumet är ett unikt observatorium och med GRAVITY och framtida teleskop vill vi lära oss så mycket om det som möjligt. "

© 2019 Science X Network