نظریه گرانش اینشتین از تست سیاه‌چاله روسفید بیرون آمد

برای بیش از ۲۰ سال می‌شود که تیمی از ستاره‌شناسان یک ستاره را که به دور سیاه چاله پرجرم مرکز کهکشان ما با سرعت ۲۵ میلیون کیلومتر بر ساعت، یا ۳ درصد سرعت نور می‌چرخد، دنبال می‌کنند. اکنون، این تیم بر آن است که این برخورد نزدیک نظریه‌ی گرانش آلبرت اینشتین را به دشوارترین آزمون خود برای اجرام پرجرم کشانده است و نور این ستاره طوری کشیده شده که با گرانش نیوتون نمی‌توان آن را توجیه نمود. محققان می‌گویند یکی از اشارات نظریه‌ی نسبت عام اینشتین به نام “انتقال به سرخ گرانشی” (gravitational redshift) را شناسایی کرده‌اند که در آن نور ستاره به خاطر گرانش قوی سیاه‌چاله انرژی از دست می‌دهد.

Andrea Ghez، ستاره‌شناس دانشگاه کالیفرنیا، لوس‌آنجلس (UCLA)، که او هم گروهی را به همین هدف رهبری می‌کند می‌گوید:

این واقعاً هیجان‌انگیز است. این یکی از آن رصدهای شگفت‌آور است. این آزمون مستقیم [نسبیت] است که ما هر دو چندین سال بود برای آن آماده می‌شدیم.

این ستاره با نام S2، به جز مدار بسیار بیضوی‌اش که آن را در ۲۰ میلیارد کیلومتری یا ۱۷ ساعت نوری سیاهچاله مرکز کهکشان راه شیری قرار می‌دهد، نکته حائز اهمیت دیگری ندارد. تیمی به رهبری راینهارد گنزل در مؤسسه‌ی فیزیک خارج زمینی ماکس پلانک آلمان از دهه‌ی ۱۹۹۰ در حال ردیابی S2 هستند؛ ابتدا با تلسکوپ تکنولوژی نوین ۳.۶ متری رصدخانه جنوب اروپا در صحرای آتاکاما شیلی و سپس با تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) همین مرکز. تیم قز در یوسی‌ال‌ای نیز رصد این ستاره را با تلسکوپ‌های دوقلوی ۱۰ متری Keck در هاوایی در همان حوالی شروع کردند.

مطالعه‌ی ستاره‌های نزدیک مرکز کهکشان دشوار است؛ چون ابرهای غبار و گاز قسمت اعظم نور ستاره‌ها را مسدود می‌کنند. با این حال، با ردیابی مدار آن‌ها در طول موج فروسرخ، محققان قادر به تخمین جرم سیاه چاله مرکزی، به نام Sagittarius A با تقریب چهار میلیون برابر جرم خورشید شدند. این تیم همچنین به این نتیجه رسید که با حرکت سریع S2 به نزدیک‌ترین مکان خود در مدار ۱۶ ساله‌اش به سیاه‌چاله، گرانش عظیم اثرات نسبیت عام را قابل شناسایی خواهد کرد.

وقتی در سال ۲۰۰۲، یعنی ۱۶ سال پیش، S2 در این حالت قرار گرفت، تلسکوپ‌ها آنقدر دقیق نبودند که بتوانند اندازه‌گیری‌های لازم را انجام دهند. این بار ولی تیم آماده بود. هم Keck و هم VLT مجهز به اپتیک‌های تطابقی و آینه‌های انعطاف‌پذیر که در لحظه تغییر شکل می‌دهند تا انحرافات به وجود آمده توسط اتمسفر زمین را جبران کنند، شدند. تیم اروپایی همچنین از مزایای استفاده از چهار میدان دید VLT به عنوان یک تداخل‌سنج بهره می‌برد که نور آن‌ها را به شکلی ترکیب می‌کند تا به وضوح یک تلسکوپ ۱۳۰ متری دست یابند.

ما همواره در برابر ضرب‌العجل‌ها قرار داشتیم. این به شدت برای تیم استرس‌آور بود.

Reinhard Genzel–

بیشتر بخوانید:

• خبر مهم: دانشمندان برای اولین بار بلعیده شدن ستاره توسط یک سیاه‌چاله را مشاهده کردند
• “کنش شبح‌وار از راه دور” اینشتین در اجسامی که با چشم دیده می‌شوند، اثبات شد
• قوانین فیزیک تغییرناپذیر است! ۱۴ سال مطالعه بر روی ساعت اتمی این را تأیید می‌کند

برای تیم گنزل، ثابت شده بود که رسیدن به تجهیزات تداخل‌سنجی به نام GRAVITY یک رقابت است. “ما همواره در برابر ضرب‌العجل‌ها قرار داشتیم. این به شدت برای تیم استرس‌آور بود”.

از ماه مارس، هر دو تیم S2 را قبل و بعد از نزدیک‌ترین تماس در ۱۹ می، به طور منظم پایش کرده‌اند. با تصاویر، آن‌ها توانستند مسیر ظاهری ستاره را در آسمان بیابند و با طیف‌سنج، قادر به اندازه‌گیری سرعت آن در دیگر بعد (“سرعت شعاعی” به طرف زمین یا هنگام دور شدن از آن با روش جابه‌جایی دوپلر) شدند. آن‌ها امیدوار بودند دو اثری را که اینشتین پیش‌بینی کرده بود، مشاهده نمایند.

اولی، انتقال به سرخ گرانشی است که به کاهش انرژی فوتون‌ها همزمان با تلاش آن‌ها برای فرار از میدان گرانشی قوی سیاه‌چاله می‌گویند.

دومی که اثر دوپلر متقاطع نسبیتی نام دارد توسط نظریه‌ی قبلی‌تر اینشتین درباره‌ی نسبیت خاص پیش‌بینی شده است. این انتقال به سرخی است که با حرکت شیء به طور مماس بر خط دید اتفاق می‌افتد.

در مقاله‌ای که گروه گنزل در Astronomy & Astrophysics منتشر کرده است، کنش ترکیبی اثرات نسبیتی، همراه با انتقال به سرخ سرعت شعاعی S2 توسط گرانش سیاهچاله تا ۲۰۰ کیلومتر بر ثانیه، نسبت کوچکی به سرعت کلی آن، گزارش شده است. این نتایج بسیار به پیش‌بینی‌های نسبیت نزدیک است و با گرانش نیوتون ناسازگار می‌باشد.

نسبیت عام قبلاً بارها تست شده؛ هم در سطح زمین و هم در رصدهای اخترفیزیکی و همیشه هم پیروزمندانه از آن‌ها نمره قبولی گرفته است. دقیق‌ترین آزمون‌ها شامل دو ستاره‌ی نوترونی و مشاهده‌ی اخیر امواج گرانشی حاصل از ادغام دو سیاه‌چاله بود. با این حال، این تست‌ها شامل اجرامی با حداکثر چند برابر جرم خورشید می‌شد. تست Sgr A* در قلمروی میدان‌های گرانشی قوی قرار می‌گیرد.

هر دو تیم تأییدات بیشتری را روی نظریه‌ی اینشتین پیش‌بینی می‌کنند. این اولین پله‌ی نردبان تست‌های نسبیت عام است. در یکی دو سال آینده، آن‌ها امید دارند تا تا واگرایی اندک مسیر S2 را از مسیر ۱۶ سال پیش مشاهده کنند. این مشاهده به خاطر پدیده‌ای به نام شوارتزشیلد است که توسط نسبیت پیش‌بینی می‌شود. بر طبق این پدیده، محور مدار یک ستاره در هر بار چرخش مقداری جزئی جابه‌جا می‌شود.

قدم بعدی یافتن ستاره‌هایی است که به *Sgr A نزدیک‌تر از S2 باشد. ردیابی مدار آن‌ها می‌تواند محققان را قادر سازد تا نرخ چرخش (spin rate) سیاه چاله را بسنجند. و تجهیزات حساس‌تر شاید بتوانند سقوط اجرام را با نصف سرعت نور به درون سیاهچاله و جت انفجاری ماده را از قطب‌های آن مشاهده نمایند. در حال حاضر فقط می‌توانیم خواب این چیزها را ببینیم.