Einstein | Svět2000

Černá díra Mléčné dráhy poskytuje dlouho hledaný test Einsteinovy obecné teorie relativity

26. 7. 2022 Adam Walko 3 min read 502 Zobrazení Albert Einstein, černá díra, Einstein, teorie relativity

Když hvězda S2 prochází kolem černé díry v galaktickém centru, silné gravitační pole způsobí, že se její světlo posune směrem k červeným koncům spektra (umělecký dojem). Kredit: ESO/M. Kornmesser

Deset let probíhající pozorování potvrzuje předpovědi o tom, jak se světlo chová v obrovském gravitačním poli

Astronomové zachytili obří černou díru v centru naší galaxie, jak roztahuje světlo vyzařované obíhající hvězdou, téměř tři desetiletí poté, co začali hvězdu poprvé sledovat. Dlouho hledaný jev, známý jako gravitační rudý posuv, byl předpovězen Einsteinovou obecnou teorií relativity, ale až dosud nebyl nikdy detekován v okolí černé díry, napsal server Nature.

„Je to další velký krok v přiblížení se k pochopení černé díry,“ říká Heino Falcke, astronom z Radboud University v nizozemském Nijmegenu, který se na výzkumu nepodílel. „To je prostě úžasné, vidět tyto efekty.“

Tým vedený Reinhardem Genzelem z Institutu Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku v Garchingu v Německu dnes oznámil objev na tiskové konferenci a výsledky oznámil v Astronomy & Astrophysics. Skupina zahrnuje vědce z univerzit a výzkumných institucí v Německu, Francii, Portugalsku, Švýcarsku, Nizozemsku, Spojených státech a Irsku.

Genzel a jeho kolegové sledovali cestu této hvězdy, známé jako S2, od počátku 90. let. Pomocí dalekohledů na Evropské jižní observatoři v Chile jej vědci sledují, jak se pohybuje po eliptické dráze kolem černé díry, která leží 26 000 světelných let od Země v souhvězdí Střelce. Černá díra s hmotností 4 milionykrát větší než Slunce generuje nejsilnější gravitační pole v Mléčné dráze. To z něj dělá ideální místo pro lov relativistických efektů.

Dne 19. května tohoto roku proletěla S2 tak blízko, jako kdy jindy, k černé díře. Vědci sledovali dráhu hvězdy pomocí přístrojů včetně GRAVITY, interferometru, který kombinuje světlo ze čtyř 8metrových dalekohledů a který byl uveden do provozu v roce 2016. „S našimi měřeními jsou dveře do fyziky černých děr dokořán,“ říká člen týmu Frank Eisenhauer, astronom z Institutu Maxe Plancka.

Časosběrný záznam pozorování z dalekohledu Evropské jižní observatoře v Chile ukazující hvězdy obíhající kolem centrální černé díry Mléčné dráhy po dobu 20 let.

GRAVITY měřila pohyb S2 po obloze; Nejrychleji se hvězda pohybovala rychlostí více než 7 600 kilometrů za sekundu, tedy téměř 3% rychlosti světla. Mezitím jiný přístroj studoval, jak rychle se S2 pohybovala směrem k Zemi a od ní, když procházela kolem černé díry. Kombinace pozorování umožnila Genzelovu týmu detekovat gravitační rudý posuv hvězdy – který popisuje, jak je její světlo nataženo na delší vlnové délky obrovskou gravitační silou černé díry. Takový jev je v souladu s předpověďmi obecné teorie relativity.

„To, co jsme naměřili, už Newton nemůže popsat,“ říká Odele Straub, astrofyzik z pařížské observatoře. Budoucí pozorování S2 by mohla potvrdit další Einsteinovy předpovědi, například jak rotující černá díra s sebou táhne časoprostor.

„Jejich data vypadají nádherně,“ říká Andrea Ghez, astronomka z Kalifornské univerzity v Los Angeles, která vede konkurenční tým, který pomocí Keckových teleskopů na Havaji měří dráhu hvězdy kolem galaktického středu.

Úplný oběh kolem černé díry S2 trvá 16 let, takže obě skupiny netrpělivě očekávaly letošní těsný průlet. Ghez ale říká, že její tým plánuje se zveřejněním výsledků počkat až do konce roku. Ze tří zásadních událostí roku 2018 se zatím odehrály pouze dvě.

V dubnu dosáhla S2 své maximální rychlosti v přímé viditelnosti ze Země. V květnu se nejblíže přiblížila ke galaktickému středu. A koncem srpna a začátkem září zpomalí na svou minimální rychlost v linii viditelnosti ze Země. „Trvalo nám 20 let, než jsme se dostali do tohoto okamžiku,“ říká Ghez. „Počkáme na konec průchodu, dokud hvězda neskončí se vším, co bude dělat.“

S2 již začala zpomalovat ve směru své cesty při pohledu ze Země, když se blíží třetí událost. A jak americké, tak evropské týmy to bedlivě sledují. „Jsme v háji,“ říká Ghez. „Je to super vzrušující.“

Zdroj: Nature

Adam Walko

Satelit diskokoule podrobí „Einsteinovu teorii“ dosud nejpřísnějšímu testu

26. 7. 2022 Adam Walko 5 min read 368 Zobrazení Einstein, teorie, teorie relativity, test

Technologie TOP 10

Povrch LARES-2 je pokryt stovkami reflektorů, které budou odrážet laserové pulsy vysílané globální sítí laserových zaměřovacích stanic.

Vědci doufají, že koule odrážející laser poskytne dosud nejpřesnější měření toho, jak rotace Země deformuje prostor

Nově vypuštěná družice má za cíl změřit, jak rotace Země táhne kolem sebe strukturu časoprostoru, což je efekt Einsteinovy obecné teorie relativity, desetkrát přesněji než kdy předtím, napsal server Nature.

Satelit laserové relativity 2 (LARES-2) odstartoval z kosmodromu Evropské kosmické agentury (ESA) v Kourou ve Francouzské Guyaně 13. července. Byla postavena Italskou vesmírnou agenturou (ASI) za cenu kolem 10 milionů EUR (10,2 milionu USD) a vzlétla při prvním letu modernizované verze evropské rakety Vega, nazvané Vega C.

Výkon rakety byl „úžasný“, říká vedoucí mise Ignazio Ciufolini, fyzik z University of Salento v Lecce v Itálii. „ESA a ASI uvedly satelit na oběžnou dráhu s přesností pouhých 400 metrů.“ Toto přesné umístění pomůže zlepšit kvalitu měření výzkumníků, dodává Ciufolini.

„Myslím, že je to skvělý krok vpřed pro měření tohoto efektu,“ říká Clifford Will, teoretický fyzik na University of Florida v Gainesville.

Reflexní koule

Struktura LARES-2 je odzbrojující jednoduchá: je to koule z kovu pokrytá 303 reflektory, bez palubní elektroniky nebo ovládání navigace. Design připomínající diskokouli je podobný designu jeho předchůdce LARES, dalšího experimentu obecné relativity zahájeného v roce 2012, a sondy LAGEOS nasazené NASA v 70. letech 20. století, především pro studium zemské gravitace. (Laresové, vyslovovaní LAY-reez, byli božstva v pohanském náboženství starověkého Říma.)

LARES-2 balí kolem 295 kilogramů materiálu do koule o průměru menší než 50 centimetrů. Jeho hustota minimalizuje účinky jevů, jako je tlak záření ze slunečního záření nebo slabý odpor zemské atmosféry ve vysokých nadmořských výškách, říká letecký inženýr Antonio Paolozzi z univerzity Sapienza v Římě. Po experimentování s vlastními materiály s vysokou hustotou se tým rozhodl pro běžnou slitinu niklu. To mělo přijatelnou hustotu a umožnilo LARES-2 kvalifikovat se pro první let Vega C bez nákladných letových certifikačních zkoušek.

Ciufolini a jeho kolegové plánují pomocí existující globální sítě laserových zaměřovacích stanic několik let sledovat dráhu LARES-2. Tento druh sondy může poskytovat data po desetiletí. „Můžete si jen sednout a poslat na něj laserové paprsky,“ říká Will. „Z hlediska nákladů je to levná, dobrá věc.“

Podle newtonovské gravitace by měl objekt obíhající kolem dokonale kulové planety neustále sledovat stejnou elipsu, eon po eonu.

Ale v roce 1913 Albert Einstein a jeho spolupracovník Michele Besso použili předběžnou verzi obecné teorie relativity, aby navrhli, že pokud by taková planeta rotovala, mělo by to způsobit mírný posun dráhy satelitu. Přesnou matematiku tohoto efektu vypočítali v roce 1918 rakouští fyzikové Josef Lense a Hans Thirring. Moderní výpočty předpovídají, že Lense-Thirringův jev, druh relativistického „přetahování rámečku“, by měl způsobit, že rovina oběžné dráhy bude precesovat neboli rotovat kolem zemské osy o 8,6 miliontin stupně za rok.

V praxi Země sama o sobě není dokonalá koule, ale „ve tvaru brambory“, říká Ciufolini. Výsledné nepravidelnosti v gravitačním poli Země – přesně ty věci, k jejichž měření byl LAGEOS navržen – přidávají další orbitální precesi, která může ztížit měření relativistického efektu. Ale porovnáním oběžných drah dvou satelitů lze tyto nepravidelnosti zrušit.

LARES-2 byl vypuštěn 13. července na palubě rakety Vega C.

Ciufolini, který pracoval na konceptu mise LARES od své doktorské práce v roce 1984, poprvé použil tento princip v roce 2004 k měření tažení snímku ze srovnání drah LAGEOS a LAGEOS-2 (podobná sonda vypuštěná ASI). On a jeho spolupracovník Erricos Pavlis z University of Maryland v College Park tvrdili, že dopadli na výsledek s přesností 10 %.

I když byl výsledek stále drsný, týmu se podařilo získat experiment NASA v hodnotě 800 milionů dolarů, který měl za cíl měřit přetahování snímků pomocí jiné techniky. Vysoce komplexní mise Gravity Probe B, která byla zahájena v roce 2004, měřila změny nikoli v orbitální dráze kosmické lodi, ale ve sklonu čtyř rotujících koulí, které se posouvaly o nepatrný zlomek stupně za rok. Nepředvídané komplikace znamenaly, že gravitační sonda B mohla dosáhnout přesnosti pouze 20 %, což je daleko od původního cíle 1%.

Omezení spouštění

Ciufolini a jeho tým následně zlepšili svůj dřívější výsledek na přesnost 2 % pomocí LARES, první sondy výslovně navržené pro tento druh experimentu ³ . Ale omezení nosné rakety – dřívější rakety Vega – znamenala, že LARES mohl dosáhnout pouze výšky 1 450 km. LARES-2 je nyní na optimálnějších 5900 km, kde jsou nepravidelnosti zemského gravitačního pole tlumeny, ale efekt tažení rámu je stále silný.

Cílem mise je dosáhnout přesnosti 0,2 % a přesná orbitální injekce by měla tento cíl zajistit na dosah, říká Ciufolini. To by mohlo týmu umožnit zjistit, zda obecná teorie relativity vítězí nad alternativními teoriemi pro časoprostor, dodává.

Thibault Damour, teoretický fyzik z Institutu pokročilých vědeckých studií (IHES) nedaleko Paříže, si pochvaluje nízkou cenu experimentu. „Pokud najdeme odchylku [od teoretické předpovědi], byl by to významný výsledek,“ říká Damour, ale dodává, že ve vesmíru byly provedeny přísnější testy obecné relativity. Mise Cassini NASA k Saturnu naměřila jiný účinek teorie s přesností téměř jedné části ku 10 000 ⁴ .

Ačkoli jsou kolem Země slabé, účinky přetahování snímků se stanou gigantickými, když se dvě černé díry spirálovitě do sebe zapletou a spojí. Observatoře s gravitačními vlnami už možná začaly detekovat takové efekty na konečných drahách některých párů černých děr: z tvaru vln dokážou vypočítat, jak rychle se lehčí černá díra pohybovala a jak rychle se otáčela těžší černá díra. . S detekcí gravitačních vln se porozumění přetahování snímků „stalo základem astrofyziky“, říká Ciufolini.

Zdroj: Nature

Adam Walko