Im Zentrum der Milchstraße, die fast 26.000 Lichtjahre entfernt ist, kreist eine Gruppe von Sternen in der Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs, das als Schütze A * bekannt ist. Während sich diese wenigen Dutzend Sterne, die S-Sterne genannt werden, dem Schwarzen Loch nähern, das etwa vier Millionen Mal so massereich ist wie die Sonne, peitscht sie ihre immense Gravitationskraft schneller als 16 Millionen Meilen pro Stunde herum. Tatsächlich ist die Anziehungskraft von Schütze A * so stark, dass sie das Licht dieser Sterne verzerrt, wenn sie zu nahe kommen und die Wellenlängen in Richtung des roten Teils des elektromagnetischen Spektrums strecken.
Insbesondere ein Stern, S0-2, kommt dem Schützen A * so nahe, dass Astronomen ihn als eines der besten natürlichen Labors zur Erprobung der Grenzen unserer fundamentalen Gravitationstheorie bezeichneten: Einsteins allgemeine Relativitätstheorie.
Seit mehr als zwei Jahrzehnten verfolgen Astrophysiker die Bewegungen von S0-2, um die Funktionsweise der Schwerkraft besser zu verstehen und Einsteins Theorie auf den Prüfstand zu stellen. Durch die Abbildung der Position des Sterns und die Messung seines Lichtspektrums hoffen die Forscher festzustellen, ob die Umlaufbahn von S0-2 um das Schwarze Loch mit dem von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Pfad übereinstimmt. In einer heute in Science veröffentlichten Studie berichtet ein internationales Team von Astronomen, dass das Verhalten des Sterns mit Einsteins Gravitationstheorie übereinstimmt, was bestätigt, dass die allgemeine Relativitätstheorie in der Region um ein supermassives Schwarzes Loch immer noch besteht - zumindest vorerst.
"Sie möchten die Theorie unter möglichst extremen Bedingungen testen ... um die Theorie wesentlich härter als erwartet voranzutreiben", sagt Tuan Do, ein auf das galaktische Zentrum spezialisierter Wissenschaftler an der UCLA und Hauptautor der Studie .
Abbildung der Umlaufbahnen der Sterne um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. Hervorgehoben ist die Umlaufbahn des Sterns S0-2. Dies ist der erste Stern, der über genügend Messungen verfügt, um Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie um ein supermassives Schwarzes Loch zu testen. (Keck / UCLA Galactic Center Group) Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die drei Dimensionen des Raums und die eine Dimension der Zeit als inhärent in einem „Gefüge“ der Raumzeit gebunden. Massive Objekte, wie Sterne und Schwarze Löcher, verziehen diesen Stoff, um Entfernungen und Zeit zu verlängern und umliegende Objekte auf sich zu ziehen. Wir nehmen diesen Effekt als Schwerkraft wahr - einen Apfel, der von einem Baum fällt. Licht wird aber auch durch Gravitationskräfte beeinflusst, die sich durch die verzogene Raumzeit um ein massives Objekt biegen.
Gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie erzeugen supermassive Schwarze Löcher wie Schütze A * in der Raumzeit eine große Kurve, die ein extrem starkes Gravitationsfeld erzeugt. Wenn sich ein Stern einem solchen Schwarzen Loch nähert, werden Photonen emittierten Lichts in das Feld gezogen, und das Licht, das entweicht und auf die Erde gelangt, muss aus der Gravitationsbohrung des Schwarzen Lochs aufsteigen. Das Ergebnis ist, dass das beobachtete Licht eine niedrigere Energie hat - eine niedrigere Frequenz und eine längere Wellenlänge - und ein roteres Spektrum erzeugt. Wissenschaftler vergleichen die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie für diesen Effekt, die Gravitationsrotverschiebung genannt wird, mit den gemessenen Wellenlängen des einfallenden Lichts von Sternen wie S0-2, um zu testen, ob die Theorie zutrifft.
Eine Reihe von anderen Faktoren als die Schwerkraft können jedoch die Rotverschiebung beeinflussen, beispielsweise wenn sich ein Objekt vom Betrachter weg oder auf ihn zu bewegt. „Das Herzstück der Frage ist, dass Sie all diese anderen Effekte so gut messen können, dass Sie zuversichtlich sagen können, dass es sich um eine gravitative Rotverschiebung handelt, und nicht nur auf eine andere Art und Weise, wie Sie die Umlaufbahn der Stern “, sagt Do.
S0-2 umkreist den Schützen A * alle 16 Jahre. Im Mai 2018 erreichte es mit 120 astronomischen Einheiten (etwas mehr als 18 Milliarden Meilen) und einer Geschwindigkeit von knapp drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit (rund 30 Millionen Meilen pro Stunde) den dem Schwarzen Loch am nächsten gelegenen Punkt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Rotverschiebungseffekt besonders bemerkenswert, da die Anziehungskraft von Schütze A * zunimmt, wenn sich der Stern nähert. Im März und September desselben Jahres erreichte der Stern auch seine maximalen bzw. minimalen Radialgeschwindigkeitspunkte, was bedeutete, dass er sich im Vergleich zu einem Beobachter auf der Erde am schnellsten und am langsamsten bewegte. Die Rotverschiebungssignale dieser drei Ereignisse sind entscheidend für die Abbildung der Umlaufbahn des Sterns, wo die Auswirkungen der Schwerkraft am extremsten sind.
„Das Rotverschiebungssignal ist am Punkt der nächsten Annäherung am stärksten, weil es dem Schwarzen Loch am nächsten liegt, aber hier ist es nicht am einfachsten zu messen, da wir sehr empfindlich auf Änderungen der Relativgeschwindigkeit reagieren. Sie möchten es also erfassen auf der steigenden und fallenden Seite dieses Signals “, sagt Do.
Wenn sich der Stern S0-2 dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie nähert, wird sein Licht in die roteren Bereiche des elektromagnetischen Spektrums gestreckt, ein Phänomen, das von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wird. (Nicole R. Fuller / National Science Foundation) Supermassive Schwarze Löcher sind verwirrende Spielplätze für die Erprobung der Physik, da sie nicht genau in die heutigen vorherrschenden Theorien passen. „Schwarze Löcher sind sowohl sehr massiv als auch äußerst kompakt, so dass hier die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik aufeinander treffen“, sagt Do. Während die Quantenmechanik die kleinsten Teilchen in unserem Universum beschreibt - ein Bereich, in dem die Schwerkraft normalerweise ignoriert werden kann - handelt es sich bei der allgemeinen Relativitätstheorie um massive Objekte mit immensen Gravitationsfeldern. Einige Physiker erwarten, dass sich diese beiden Theorien genau in der Mitte eines Schwarzen Lochs zusammentun, wo eine immense Masse in einem unendlich kleinen Volumen enthalten sein soll, einem Punkt, der als Gravitations-Singularität bekannt ist.
„Fast alle Versuche, die Schwerkraft auf Quantenebene zu verstehen und zu verstehen, wie sie zu anderen Naturkräften passt, scheinen darauf hinzudeuten, dass die allgemeine Relativitätstheorie unvollständig ist und in irgendeiner Weise zusammenbrechen oder abweichen muss, und dies würde durch starke Schwerkraft geschehen “, Schreibt Clifford Johnson, ein theoretischer Physiker der University of Southern California, der nicht an der Studie beteiligt war, in einer E-Mail. „Die Nachbarschaft der großen und kleinen Schwarzen Löcher wird zunehmend zu einer Beobachtungsarena für die starke Schwerkraft. Hier haben wir die Möglichkeit zu sehen, wo die allgemeine Relativitätstheorie zusammenbricht, und wenn ja, möglicherweise die Physik unseres Universums und mehr über die Natur von Raum und Zeit. “
Das Forscherteam verwendete eine Kombination aus Teleskopbildgebung und Spektroskopie, um die Umlaufbahn von S0-2 abzubilden. Da sich die Erdatmosphäre ständig bewegt und unsere Sicht auf den Himmel verwischt, haben sie sich auf adaptive Optik und eine Technik namens Speckle Imaging verlassen, um ein klares Bild zu erfassen. Im Wesentlichen verwendeten sie einen flexiblen Spiegel, der durch Aktuatoren Tausende Male pro Sekunde verzogen wurde. und machte Schnappschüsse vom Himmel, um atmosphärische Unschärfen zu korrigieren.
„Die Erdatmosphäre ist großartig für den Menschen, aber schlecht für die Astronomie. ... Es ist, als würde man einen Kiesel unter einem Fluss betrachten und versuchen, die Position des Kiesels zu messen. “, Sagt Do. "Im Grunde versuchen wir, das Funkeln in den Sternen zu beseitigen."
Laser der beiden Keck-Teleskope breiteten sich in Richtung des galaktischen Zentrums aus. Jeder Laser erzeugt einen künstlichen Stern, mit dem die durch die Erdatmosphäre verursachte Unschärfe korrigiert werden kann. (Ethan Tweedie) Die Forscher verfolgten eine Umlaufbahn für S0-2 und verglichen sie mit Vorhersagen aus dem allgemeinen Relativitätsmodell und dem einfacheren Newtonschen Physikmodell. Das Team stellte fest, dass sich der Stern fast 450.000 Meilen pro Stunde schneller bewegte, als es die Newtonsche Schwerkraft vorhersagen würde, und dass das allgemeine Relativitätsmodell 43.000 Mal wahrscheinlicher war, ihre Beobachtungen zu erklären.
„Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hat sich innerhalb der Genauigkeit der Messungen erneut als richtig erwiesen“, sagt Nikodem Poplawski, ein Mathematiker und Physiker von der University of New Haven, der an der neuen Studie nicht beteiligt war. Er weist auch darauf hin, dass die Ergebnisse die Existenz von Schwarzen Löchern unterstützen, wie sie durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben werden. "Zusätzlich zu dem, was im April mit dem ersten Bild eines Schwarzen Lochs beobachtet wurde, haben wir jetzt mehr Beweise dafür, dass das, was sich in unserer Milchstraße befindet, ein supermassives Schwarzes Loch ist."
Ähnliche Arbeiten aus dem letzten Jahr behaupteten auch, dass die Umlaufbahn von S0-2 den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie entsprach. Diese neuen Ergebnisse liefern jedoch zusätzliche Beweise aus zusätzlichen Daten für drei Monate, die erfasst wurden, als der Stern dem Schützen A * am nächsten war und das Rotverschiebungssignal am stärksten war, einschließlich des entscheidenden dritten Umlaufbahnereignisses im September letzten Jahres.
"Die Möglichkeit, die allgemeine Relativitätstheorie im galaktischen Zentrum zu messen, gibt es schon seit einem Jahrzehnt", sagt Do. "Zu sagen, dass wir es endlich schaffen können - dies bedeutet für mich den Beginn einer Ära von noch mehr Schwerkrafttests um das Zentrum der Galaxie und eröffnet viele Möglichkeiten für mehr Wissenschaft rund um das supermassereiche Schwarze Loch." Das Forschungsteam wird weiterhin die Bewegungen der S-Sterne verfolgen und tiefer in die Geheimnisse der Schwarzen Löcher und die Physik eindringen, die unser Universum bestimmen.
