בשנת 1915 פרסם אלברט איינשטיין את תורת היחסות הכללית המפורסמת שלו, שסיפקה תיאור אחיד של כוח הכובד כמאפיין גאומטרי של חלל וזמן. תיאוריה זו הולידה את תיאוריית הכבידה המודרנית וחוללה מהפכה בהבנתנו את הפיזיקה. אף על פי שמאה שנים חלפו מאז, מדענים עדיין מבצעים ניסויים המאשרים את תחזיות התיאוריה שלו.
הודות לתצפיות שנערכו לאחרונה על ידי צוות אסטרונומים בינלאומיים (המכונה שיתוף הפעולה של GRAVITY), נחשפו ההשפעות של היחסות הכללית באמצעות סופר שחור-שחור שחורה (SMBH) לראשונה. ממצאים אלה היו שיאו של קמפיין תצפיות בן 26 שנה על ה- SMBH במרכז שביל החלב (מזל קשת A *) באמצעות מכשירי מצפה הכוכבים האירופי (ESO).
המחקר המתאר את ממצאי הצוות הופיע לאחרונה בכתב העת אסטרונומיה ואסטרופיסיקה, שכותרתו "איתור הסטת הכבידה האדומה במסלולו של הכוכב S2 ליד החור השחור המסיבי של הגלקטיק". המחקר הובל על ידי רוברטו ארבוטו מ- ESO וכלל חברים משיתוף הפעולה של GRAVITY - אותו מוביל ריינהרד גנזל ממכון מקס פלאנק לפיזיקה חוצנית (MPE) וכולל אסטרונומים ממספר אוניברסיטאות ומכוני מחקר אירופיים.
לצורך המחקר, הצוות הסתמך על נתונים שנאספו על ידי מכשירי ה- VLT הרגישים והדיוק הגבוה ביותר. אלה כללו את הכלי האסטרומטרי וה- interferometry של GRAVITY, את הספקטרוגרף לתצפיות שדה אינטגרלי בכלי האינפרא אדום הקרוב (SINFONI), ואת מכשיר ה- Nasmyth Adaptive System (NAOS) - אימג 'כמעט אינפרא אדום וספקטרוגרף (CONICA), שידועים יחדיו יחד. NACO.
התצפיות האינפרא אדום החדשות שנאספו על ידי מכשירים אלה איפשרו לצוות לעקוב אחר אחד הכוכבים (S2) המקיף את קשת A * כשהוא עבר מול החור השחור - שהתרחש במאי 2018. בנקודה הקרובה ביותר במסלולו , הכוכב היה במרחק של פחות מ 20 מיליארד קמ"ש מהחור השחור והתנוע במהירות העולה על 25 מיליון קמ"ש (15 מיליון קמ"ש) - כמעט שלושה אחוזים ממהירות האור .
בעוד שכלי SINFONI שימש למדידת מהירות ה- S2 לכיוון כדור הארץ ומחוצה לו, מכשיר ה- GRAVITY באינטרפרומטר VLT (VLTI) ביצע מדידות מדויקות במיוחד של המיקום המשתנה של S2 כדי להגדיר את צורת מסלולו. מכשיר ה- GRAVITY יצר אז את התמונות החדות שחשפו את תנועת הכוכב כשהוא עבר קרוב לחור השחור.
לאחר מכן השווה הצוות את מדידות המיקום והמהירות לתצפיות קודמות של S2 באמצעות מכשירים אחרים. לאחר מכן הם השוו תוצאות אלה לתחזיות שבוצעו על ידי חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון, יחסיות כללית ותיאוריות כוח משיכה אחרות. כצפוי, התוצאות החדשות היו בקנה אחד עם התחזיות שהביא איינשטיין לפני למעלה ממאה שנה.
כפי שהסביר ריינהרד גנזל, שבנוסף להיות המנהיג של שיתוף הפעולה של GRAVITY היה מחבר משותף לעיתון, הסביר בהודעה לעיתונות האחרונה של ESO:
"זו הפעם השנייה בה אנו מתבוננים במעבר הצמוד של S2 סביב החור השחור במרכז הגלקטי שלנו. אבל הפעם, בגלל מכשור משופר בהרבה, הצלחנו להתבונן בכוכב ברזולוציה חסרת תקדים. אנו נערכים באינטנסיביות לאירוע זה במשך כמה שנים, מכיוון שרצינו לנצל את המירב מההזדמנות הייחודית הזו להתבונן בהשפעות רלטיביות כלליות.
כשהצפייה במכשירים החדשים של ה- VLT, הצוות הצביע על אפקט המכונה משמרת אדומה של הכבידה, שם האור שהגיע מ- S2 שינה את צבעו כשהוא מתקרב לחור השחור. זה נגרם כתוצאה משדה הכבידה החזק מאוד של החור השחור, שהמתח את אורך הגל של אור הכוכב, וגרם לו לנוע לעבר הקצה האדום של הספקטרום.
השינוי באורך הגל של האור מ- S2 מסכים בדיוק עם מה שחזתה משוואת השדה של איינשטיין. כפי שציין פרנק אייזנהאואר - חוקר ממכון מקס פלאנק לפיזיקה מחוץ לכדור הארץ, החוקר הראשי של GRAVITY וספקטרוגרף SINFONI וסופר משותף למחקר - ציין:
“התצפיות הראשונות שלנו על S2 עם GRAVITY, לפני כשנתיים, כבר הראו שתהיה לנו מעבדת החור השחור האידיאלית. במהלך המעבר הקרוב יכולנו אפילו לזהות את הזוהר הקלוש סביב החור השחור ברוב התמונות, שאיפשר לנו לעקוב בדיוק אחר הכוכב במסלולו, ובסופו של דבר הוביל לגילוי ההיסטה האדומה של הכבידה בספקטרום S2.”
בעוד שבוצעו בדיקות אחרות אשר אישרו את תחזיותיו של איינשטיין, זו הפעם הראשונה בה נצפות השפעות של יחסיות כללית בתנועת כוכב סביב חור שחור סופר-מסיבי. מהבחינה הזו איינשטיין הוכח שוב כשורה, תוך שימוש במעבדה הקיצונית ביותר עד כה! יתר על כן, זה אישר שבדיקות הכוללות השפעות רלטיביסטיות יכולות לספק תוצאות עקביות לאורך זמן ומרחב.
"כאן במערכת השמש אנו יכולים לבדוק רק את חוקי הפיזיקה כעת ובנסיבות מסוימות," אמרה פרנסואז דלנפלקה, ראש המחלקה להנדסת מערכות ב- ESO. "לכן חשוב מאוד באסטרונומיה לבדוק שהחוקים הללו עדיין תקפים במקום בו שדות הכבידה הם הרבה יותר חזקים."
בעתיד הקרוב יתאפשר מבחן רלטיביסטי נוסף כאשר S2 מתרחקת מהחור השחור. זה ידוע ככינוי שוורצשילד, שם הכוכב צפוי לחוות סיבוב קטן במסלולו. שיתוף הפעולה של GRAVITY יעקוב אחר S2 בכדי לצפות בהשפעה זו גם כן, בהסתמך על הכלים המדויקים והרגישים ביותר של ה- VLT.
כפי שציין חוויאר בארקונס (מנכ"ל ESO), הישג זה התאפשר הודות לרוח של שיתוף פעולה בינלאומי המיוצג על ידי שיתוף הפעולה של GRAVITY והמכשירים שהם סייעו לפיתוח ESO:
"ESO עבד עם ריינהרד גנזל וצוותו ומשתפי פעולה במדינות החברות ב- ESO במשך יותר מרבע מאה. זה היה אתגר עצום לפתח את הכלים החזקים הייחודיים הדרושים לביצוע המדידות העדינות הללו ולפריסתם ב- VLT בפראנל. הגילוי שהוכרז היום הוא תוצאה מרגשת מאוד של שותפות מדהימה. "
והקפידו לבדוק את הסרטון הזה של המבחן המוצלח של GRAVITY Collaboration, באדיבות ESO:
