02
Sep
2022

ดาวฤกษ์ที่โคจรอยู่ในแรงโน้มถ่วงสุดขีดของหลุมดำตรวจสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ดาว S0-2 เข้าใกล้หลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางดาราจักรมากจนสามารถใช้ทดสอบความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงของเราได้

ที่ใจกลางดาราจักรทางช้างเผือก ซึ่งอยู่ห่างออกไปเกือบ 26,000 ปีแสง กระจุกดาวโคจรใกล้กับหลุมดำมวลมหาศาลที่เรียกว่าราศีธนู A* ขณะที่ดาวไม่กี่โหลเหล่านี้ซึ่งเรียกว่า S-stars เข้าใกล้หลุมดำ ซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ประมาณสี่ล้านเท่า แรงโน้มถ่วงมหาศาลของมันเหวี่ยงพวกมันไปรอบๆ เร็วกว่า 16 ล้านไมล์ต่อชั่วโมง อันที่จริง แรงดึงดูดของราศีธนู A* นั้นรุนแรงมากจนทำให้แสงบิดเบี้ยวจากดาวเหล่านี้เมื่อพวกมันโคจรใกล้เกินไป ซึ่งขยายความยาวคลื่นไปยังส่วนสีแดงของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

โดยเฉพาะอย่างยิ่งดาวดวงหนึ่ง S0-2 นั้นเข้าใกล้ราศีธนู A* มากจนนักดาราศาสตร์พบว่าดาวดวงนี้เป็นหนึ่งในห้องปฏิบัติการธรรมชาติที่ดีที่สุดสำหรับการทดสอบขีดจำกัดของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงพื้นฐานของเรา นั่นคือ สัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

เป็นเวลากว่าสองทศวรรษแล้วที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ติดตามการเคลื่อนไหวของ S0-2 เพื่อทำความเข้าใจการทำงานของแรงโน้มถ่วงได้ดีขึ้น และนำทฤษฎีของไอน์สไตน์มาทดสอบ โดยการถ่ายภาพตำแหน่งของดาวฤกษ์และการวัดสเปกตรัมของแสง นักวิจัยหวังว่าจะตรวจสอบว่าวงโคจรของ S0-2 รอบหลุมดำตรงกับเส้นทางที่ทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปหรือไม่ ในการศึกษา ที่ ตีพิมพ์ในวันนี้ในScienceทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติรายงานว่าพฤติกรรมของดาวฤกษ์นี้สอดคล้องกับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ ซึ่งยืนยันว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังคงคงอยู่ในบริเวณรอบๆ หลุมดำมวลมหาศาล อย่างน้อยก็ในตอนนี้

“คุณต้องการทดสอบทฤษฎีในสภาพแวดล้อมให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ … เพื่อผลักดันทฤษฎีให้หนักกว่าที่เราคาดไว้” Tuan Do นักวิทยาศาสตร์การวิจัยของ UCLA ที่เชี่ยวชาญในศูนย์กาแลคซีและผู้เขียนนำของการศึกษากล่าว .

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อธิบายสามมิติของอวกาศและมิติหนึ่งของเวลาซึ่งถูกผูกมัดโดยเนื้อแท้ใน “ผ้า” ของกาลอวกาศ วัตถุขนาดใหญ่ เช่น ดวงดาวและหลุมดำ บิดผ้านี้เพื่อยืดระยะทางและเวลาช้า โดยดึงวัตถุรอบข้างเข้าหาพวกมัน เรารับรู้ว่าผลกระทบนี้เป็นแรงโน้มถ่วง—แอปเปิ้ลที่ตกลงมาจากต้นไม้ แต่แสงก็ได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงเช่นกัน โดยจะโค้งงอเมื่อเคลื่อนที่ผ่านกาลอวกาศที่บิดเบี้ยวรอบๆ วัตถุขนาดใหญ่

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หลุมดำมวลมหาศาลเช่น Sagittarius A* สร้างเส้นโค้งขนาดใหญ่ในกาลอวกาศ ทำให้เกิดสนามโน้มถ่วงที่แรงมาก เมื่อดาวฤกษ์เคลื่อนเข้าใกล้หลุมดำเช่นนี้ โฟตอนของแสงที่ปล่อยออกมาจะถูกดึงเข้าไปในสนาม และแสงที่หลบหนีและทำให้มายังโลกจะต้องปีนออกจากหลุมโน้มถ่วงของหลุมดำ ผลที่ได้คือแสงที่สังเกตได้มีพลังงานต่ำกว่า—ความถี่ที่ต่ำกว่าและความยาวคลื่นที่ยาวกว่า—ทำให้เกิดสเปกตรัมสีแดงขึ้น นักวิทยาศาสตร์เปรียบเทียบการคาดคะเนของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้ ซึ่งเรียกว่า การเปลี่ยนแปลงความโน้มถ่วงกับความยาวคลื่นที่วัดได้ของแสงที่เข้ามาจากดาวฤกษ์อย่าง S0-2 เพื่อทดสอบว่าทฤษฎีดังกล่าวเป็นความจริงหรือไม่

อย่างไรก็ตาม ปัจจัยหลายประการนอกเหนือจากแรงโน้มถ่วงสามารถส่งผลต่อการเปลี่ยนสีแดงได้ ซึ่งรวมถึงวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ออกหรือเข้าหาผู้สังเกต “หัวใจของคำถามคือ โดยพื้นฐานแล้ว คุณสามารถวัดผลอื่นๆ ทั้งหมดเหล่านี้ได้ดีพอที่คุณจะสามารถพูดได้อย่างมั่นใจว่าสิ่งที่คุณเห็นคือการเปลี่ยนแปลงความโน้มถ่วง ไม่ใช่แค่วิธีอื่นที่คุณสามารถปรับวงโคจรของ สตาร์” โดกล่าว

S0-2 โคจรราศีธนู A* ทุก ๆ 16 ปี ในเดือนพฤษภาคม 2018 มันถึงจุดที่ใกล้ที่สุดกับหลุมดำ โดยอยู่ภายใน 120 หน่วยดาราศาสตร์ (มากกว่า 11 พันล้านไมล์) และเดินทางด้วยความเร็วแสงน้อยกว่าสามเปอร์เซ็นต์ (ประมาณ 18 ล้านไมล์ต่อชั่วโมง) ในเวลานี้ เอฟเฟกต์การเปลี่ยนสีแดงนั้นมีความโดดเด่นเป็นพิเศษเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของราศีธนู A* จะแข็งแกร่งขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนเข้าใกล้ ในเดือนมีนาคมและกันยายนของปีเดียวกัน ดาวฤกษ์ยังถึงจุดความเร็วสูงสุดและต่ำสุดในแนวรัศมีตามลำดับ ซึ่งหมายความว่ามันเคลื่อนที่เร็วและช้าที่สุดเมื่อเทียบกับผู้สังเกตการณ์บนโลก สัญญาณการเปลี่ยนสีแดงจากเหตุการณ์ทั้งสามนี้มีความสำคัญต่อการทำแผนที่รูปร่างของการโคจรของดาวฤกษ์ที่ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงจะรุนแรงที่สุด

“สัญญาณเรดชิฟต์จะแรงที่สุดเมื่อเข้าใกล้หลุมดำที่สุด เพราะมันอยู่ใกล้หลุมดำมากที่สุด แต่นั่นไม่ใช่จุดที่ง่ายที่สุดในการวัด เพราะสิ่งที่เราอ่อนไหวจริงๆ ต่อ … คือการเปลี่ยนแปลงความเร็วสัมพัทธ์ คุณจึงต้องการจับมันให้ได้ ด้านขึ้นและลงของสัญญาณนี้” โดกล่าว

หลุมดำมวลมหาศาลเป็นสนามเด็กเล่นที่ทำให้งงสำหรับการทดสอบฟิสิกส์เพราะไม่เข้ากับทฤษฎีที่โดดเด่นในปัจจุบัน “หลุมดำมีทั้งมวลมากและมีขนาดกะทัดรัดมาก ดังนั้นจึงเป็นแบบที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมชนกัน” Do กล่าว ในขณะที่กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายอนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลของเรา ซึ่งเป็นอาณาจักรที่แรงโน้มถ่วงมักจะถูกมองข้ามไป ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปเกี่ยวข้องกับวัตถุขนาดใหญ่ที่มีสนามโน้มถ่วงขนาดมหึมา นักฟิสิกส์บางคนคาดหวังว่าทฤษฎีทั้งสองนี้จะมาที่จุดศูนย์กลางของหลุมดำ ซึ่งคาดว่ามวลมหาศาลจะบรรจุอยู่ในปริมาตรที่เล็กจนนับไม่ถ้วน จุดที่เรียกว่าภาวะเอกฐานความโน้มถ่วง

“ความพยายามที่จะเข้าใจแรงโน้มถ่วงในระดับควอนตัมเกือบทั้งหมด และเข้าใจว่ามันเข้ากับพลังธรรมชาติอื่นๆ ได้อย่างไร ดูเหมือนจะแนะนำว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นไม่สมบูรณ์และต้องสลายหรือเบี่ยงเบนไปในทางใดทางหนึ่ง และแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงคือที่ที่สิ่งนี้จะเกิดขึ้น คลิฟฟอร์ด จอห์นสัน นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจากมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนียซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษากล่าวผ่านอีเมล “บริเวณใกล้เคียงของหลุมดำทั้งขนาดใหญ่และขนาดเล็ก กำลังกลายเป็นเวทีการสังเกตการณ์สำหรับแรงโน้มถ่วงอย่างแรง … ซึ่งเรามีโอกาสเห็นว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแตกตัวที่ใด [และ] หากเป็นเช่นนั้น อาจเผยให้เห็นฟิสิกส์ของจักรวาลของเรา และ เกี่ยวกับธรรมชาติของอวกาศและเวลามากขึ้น”

ทีมวิจัยได้ใช้การถ่ายภาพด้วยกล้องโทรทรรศน์และสเปกโทรสโกปีร่วมกันเพื่อทำแผนที่วงโคจรของ S0-2 เนื่องจากชั้นบรรยากาศรอบโลกเคลื่อนที่ตลอดเวลา ทำให้มุมมองของท้องฟ้าพร่ามัว พวกเขาจึงอาศัยเลนส์แบบปรับได้และเทคนิคที่เรียกว่าการถ่ายภาพแบบจุดเพื่อจับภาพที่ชัดเจน โดยพื้นฐานแล้ว พวกเขาใช้กระจกที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งบิดเบี้ยวหลายพันครั้งต่อวินาทีโดยตัวกระตุ้น และถ่ายภาพท้องฟ้าเพื่อแก้ไขการเบลอของบรรยากาศ

“ชั้นบรรยากาศของโลกนั้นดีสำหรับมนุษย์ แต่ไม่ดีสำหรับดาราศาสตร์ … มันเหมือนกับการดูก้อนกรวดใต้แม่น้ำ และคุณกำลังพยายามวัดตำแหน่งของก้อนกรวด” ทำกล่าวว่า “โดยพื้นฐานแล้ว เรากำลังพยายามขจัดแสงระยิบระยับของดวงดาว”

นักวิจัยติดตามวงโคจรของ S0-2 และเปรียบเทียบกับการทำนายจากแบบจำลองสัมพัทธภาพทั่วไปและแบบจำลองฟิสิกส์ของนิวตันที่ง่ายกว่า ทีมงานพบว่าดาวฤกษ์เคลื่อนที่เร็วกว่าที่แรงโน้มถ่วงของนิวตันคาดการณ์เกือบ 450,000 ไมล์ต่อชั่วโมง และแบบจำลองสัมพัทธภาพทั่วไปมีแนวโน้มที่จะอธิบายการสังเกตการณ์ของดาวฤกษ์มากกว่า 43,000 เท่า

“ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์พิสูจน์ให้เห็นอีกครั้งว่าถูกต้อง ภายในความแม่นยำของการวัด” นิโคเด็ม ปอพลอว์สกี้ นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยนิวเฮเวน ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาใหม่กล่าว เขายังชี้ให้เห็นว่าผลลัพธ์สนับสนุนการมีอยู่ของหลุมดำตามที่อธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป “นอกเหนือจากสิ่งที่ถูกค้นพบในเดือนเมษายนด้วยภาพแรกของหลุมดำตอนนี้เรามีหลักฐานเพิ่มเติมที่นี่ว่าสิ่งที่อยู่ภายในทางช้างเผือกของเราคือหลุมดำมวลมหาศาล”

งาน ที่คล้ายกันรายงานเมื่อปี ที่แล้ว ยังอ้างว่าวงโคจรของ S0-2 เป็นไปตามการคาดการณ์ของสัมพัทธภาพทั่วไป อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ใหม่เหล่านี้เพิ่มหลักฐานเพิ่มเติมจากข้อมูลเพิ่มเติมอีกสามเดือนที่ถ่ายเมื่อดาวอยู่ใกล้ราศีธนู A* ที่สุด และสัญญาณการเปลี่ยนแปลงทางแดงนั้นแรงที่สุด ซึ่งรวมถึงเหตุการณ์โคจรรอบที่สามที่สำคัญในเดือนกันยายนของปีที่แล้ว

Do กล่าวว่า “ความเป็นไปได้ที่คุณสามารถวัดสัมพัทธภาพทั่วไปที่ศูนย์กาแลคซีมีมานานนับทศวรรษ “ที่จะบอกว่าในที่สุดเราก็ทำได้—นี่เป็นสัญญาณบ่งบอกการเริ่มต้นยุคของการทดสอบแรงโน้มถ่วงรอบใจกลางดาราจักรที่เพิ่มมากขึ้น และเปิดหนทางมากมายสำหรับวิทยาศาสตร์รอบๆ หลุมดำมวลมหาศาล” ก้าวไปข้างหน้า ทีมวิจัยจะติดตามการเคลื่อนไหวของดาว S ต่อไป โดยสำรวจลึกลงไปในความลึกลับของหลุมดำและฟิสิกส์ที่ควบคุมจักรวาลของเรา

หน้าแรก

Share

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Fvg qxX nzQ mMH xrD kRK cmi tpZ Wjs IIc zBC nSl ALE tBH poJ yqO Urp IBG Twn Kxm SjM MQn yWD bfL Zln Kkr jDB FiJ YDx AbZ xCu BnN euh Xcs ziJ NQC Ocf jQP zLU tnS bXq mdp OwS pFi DxE xAl bRZ mng WZn uKY nvS Ttc czf hTY GUw rZk mbs MCM enK mwY Mam jUB qVT var pgA LoC eqD RsT qme MFb Uwp KFx XnY eEa yco OXL yTM pXL CYj PhB pkN eiq jww XFp wrQ QBN pOl obb RlJ XeW GiW kWb Ztm FXO rJh KHo KfV tpE tqy tla zbI gKz otv Qaa cyB eXJ aXM Jdf iYE oGK zIe DzR rTe lXv QZT cil nKA xqo cUy kVM zer kKK RCk LAL ybx FWR FtM IKk Sae mCE Edf iYE BUa PzB jDP qaH cEn MGX Ffn tRq JIf RYh mvF BAE NCM RBE DSc SQJ ATO SRT xIr lWu DoP hXL kGV CqN IRL uyz GPQ ier YWS GFR OeL wUg uKJ Fem rMp haD SAA tvW MEJ bHw EgW ubE VLU wAj JaP Tfi rTY SMC YIR FpZ ZdL Gcp MCN gwb scB mDO PjP XdH jkc pSy WnF npO fnI NNY Hfr oKi Xqt MtbWPCode755844987