De GRAVITY-samenwerking, een team van onderzoekers van verschillende gerenommeerde instituten, waaronder het Max Planck Instituut, LESIA Paris Observatory en de European Southern Observatory, heeft onlangs een deel van het Einstein-equivalentieprincipe getest, namelijk de lokale positie-invariantie (LPI), nabij het galactische centrum van het superzware zwarte gat. hun studie, gepubliceerd op Physics Review Letters (PRL), onderzocht de afhankelijkheid van verschillende atomaire overgangen van de zwaartekracht om een ​​bovengrens te geven voor LPI-overtredingen.

"Algemene relativiteitstheorie en in het algemeen alle metrische theorieën over zwaartekracht zijn gebaseerd op de equivalentie van traagheidsmassa en zwaartekrachtsmassa, geformaliseerd in het Einstein-equivalentieprincipe, "Maryam Habibi, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "De algemene relativiteitstheorie is de beste zwaartekrachttheorie die we hebben, echter, er zijn nog steeds veel onbeantwoorde puzzels die nauw verbonden zijn met ons onvolledige begrip van de zwaartekracht."

Het gelijkwaardigheidsbeginsel, een cruciaal onderdeel van Einsteins algemene relativiteitstheorie, stelt dat de zwaartekracht die wordt ervaren in een klein gebied van ruimte-tijd hetzelfde is als de pseudo-kracht die een waarnemer ervaart in een versneld referentiekader. Het testen van dit principe is van cruciaal belang, omdat het tot interessante waarnemingen zou kunnen leiden en ons huidige begrip van zwaartekracht zou kunnen verbreden.

"Einsteins equivalentieprincipe bestaat uit drie hoofdprincipes, " legde Habibi uit. "Een van hen, de lokale positie-invariantie (LPI) genoemd, stelt dat niet-zwaartekrachtmetingen onafhankelijk moeten zijn van de locatie in de ruimtetijd (gekenmerkt door zwaartekracht) waar ze worden uitgevoerd. Het grootste deel van onze studie richt zich op het testen van het LPI-principe."

Waarnemingen uit het verleden suggereren dat de meeste, zo niet alle, massieve sterrenstelsels bevatten een superzwaar zwart gat, die zich typisch in het centrum van een melkwegstelsel bevindt. De massa van het superzware zwarte gat in het galactische centrum van de Melkweg is 4 miljoen keer groter dan die van de zon. Het genereert dus het sterkste zwaartekrachtveld in de melkweg, waardoor het de ideale plek is om op onontgonnen fenomenen te jagen en de algemene relativiteitsprincipes te testen.

ster S2, een van de helderste sterren in het binnenste gebied van de Melkweg, heeft zijn dichtste ontmoeting met het galactische centrum superzware zwarte gat op een afstand van 16,3 lichturen. Met andere woorden, de ster doet er 16 jaar over om een ​​volledige baan rond het zwarte gat te maken, die in astronomische tijdschalen extreem kort is. S2 beweegt in en uit het zwaartekrachtveld van het zwarte gat, daarom besloot het GRAVITY-samenwerkingsteam het te gebruiken om een ​​deel van het equivalentieprincipe van Einstein te testen.

"Zoals voorspeld, en we toonden in een eerdere studie gepubliceerd in juni 2018, tijdens de dichtste nadering van de ster S2 tot het zwarte gat zien we de 'gravitationele roodverschuiving' in het licht van de ster, Habibi legde uit. "Zwaartekracht roodverschuiving treedt op omdat intense zwaartekracht op het oppervlak van de ster de vibratie van lichtgolven vertraagt, door ze uit te rekken en de ster vanaf de aarde roder te laten lijken dan normaal."

Om het LPI-principe van Einstein te testen, de onderzoekers gebruikten twee verschillende soorten atomen in de stellaire atmosfeer van S2:waterstof- en heliumatomen. Het LPI-principe stelt dat de gravitatie-roodverschuiving die wordt waargenomen in een ster die in en uit een sterk gravitatieveld vliegt, alleen afhangt van het gravitatiepotentieel en niet afhankelijk is van andere parameters. zoals de interne structuur van het atoom.

"We hebben de frequentieverandering gemeten van licht van deze atomen die door een variërend potentieel bewegen, Habibi zei. "De trilling van lichtgolven werd gemeten door de gezichtslijnsnelheid van het spectrum van de S2 aan te passen met behulp van de waterstof- en heliumspectraallijnen afzonderlijk. Door het verschil in frequentieverandering voor beide atomen te meten, konden we een bovengrens geven voor de LPI-overtreding tijdens de pericenter-passage. Als er een duidelijke schending van LPI was, we hadden heel andere trillingen van lichtgolven moeten meten, van de helium- en waterstoflijnen."

Het equivalentieprincipe en de algemene relativiteitstheorie in het algemeen zijn slechts theorieën, dus moeten ze worden getest om hun geldigheid vast te stellen. Tot dusver, de meeste onderzoekers hebben tests uitgevoerd op aarde en in het zonnestelsel.

Echter, deze theorieën moeten ook worden getest in extreme scenario's, omdat dit kan bepalen of ze nog steeds gelden en tot meer overtuigend bewijs kan leiden. Dergelijke tests kunnen enkele van de principes uitsluiten die ons huidige begrip van zwaartekracht bepalen of schendingen van de algemene relativiteitstheorie identificeren.

"Het testen van het equivalentieprincipe in alle verschillende regimes is belangrijk omdat verschillende alternatieve zwaartekrachttheorieën een schending ervan voorspellen onder extreme omstandigheden, "Felix Widmann, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Voor mij is de meest betekenisvolle bevinding van onze studie dat we het equivalentieprincipe in dit meest extreme geval hebben kunnen testen:dicht bij een superzwaar zwart gat dat meer dan 20 duizend lichtjaar verwijderd is. De limieten die we stellen aan een overtreding zijn niet nog erg beperkend, maar ze bevinden zich in een zwaartekrachtsregime dat voorheen totaal niet getest was."

Habibi, Widmann en hun collega's waren een van de eersten die een deel van het equivalentieprincipe testten in de buurt van het centrale superzware zwarte gat van de Melkweg. Hun werk biedt waardevol inzicht in de geldigheid van de algemene relativiteitstheorie, met name het LPI-principe.

"Het afgelopen jaar was uitzonderlijk succesvol voor de GRAVITY-samenwerking, ' zei Widmann. 'Voor de eerste keer, we observeerden relativistische effecten in de baan van een ster rond een superzwaar zwart gat en gebruikten deze ster om het equivalentieprincipe te testen. We hebben ook materiaal waargenomen dat heel dicht bij het zwarte gat draait, een andere waarneming die onmogelijk zou zijn geweest zonder ZWAARTEKRACHT. Echter, dit is meer een begin dan een einde voor ons."

Met het optimale seizoen voor observatie van het galactische centrum om de hoek, de onderzoekers van GRAVITY collaboration zullen hun telescopen blijven richten op S2 en het superzware zwarte gat in het galactische centrum. Volgens Widmann het team kan binnenkort misschien subtielere relativistische effecten detecteren in de baan van S2, waarmee ze de algemene relativiteitstheorie opnieuw kunnen testen. In hun toekomstige observaties, de onderzoekers hopen ook dat ze meer flare-activiteit rond het zwarte gat zullen zien, omdat dit verdere studies mogelijk zou maken die gericht zijn op het verbreden van hun begrip van het galactische centrum van de Melkweg en zwarte gaten in het algemeen.

"Met toekomstige telescopen zoals de Extremely Large Telescope, die een spiegel heeft met een diameter van 39 meter, we zullen in staat zijn om soortgelijke experimenten uit te voeren en te zoeken naar 1 miljoen keer kleinere effecten van mogelijke schendingen van LPI, vergeleken met wat tegenwoordig mogelijk is, " voegde Widmann toe. "Hierdoor kunnen we het andere deel van Einsteins equivalentieprincipe testen, zwak equivalentiebeginsel genoemd, die stelt dat een object in vrije val door zwaartekracht fysiek equivalent is aan een object dat versnelt met dezelfde hoeveelheid kracht in afwezigheid van zwaartekracht. Het galactische centrum is een uniek observatorium en met GRAVITY en toekomstige telescopen willen we er zoveel mogelijk over leren."

© 2019 Wetenschap X Netwerk