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
