Проверка принципа эквивалентности Эйнштейна вблизи сверхмассивной черной дыры

Команда исследователей коллаборации GRAVITY из нескольких известных институтов, включая Институт Макса Планка, Парижскую обсерваторию LESIA и Европейскую южную обсерваторию, недавно проверили часть принципа эквивалентности Эйнштейна, а именно локальную пространственную инвариантность (LPI), около галактического центра, возле огромной черной дыры.

Их исследование, опубликованное в журнале Physics Review Letters, изучало зависимость различных атомных переходов от гравитационного потенциала, чтобы дать верхний предел нарушениям LPI.

«Общая теория относительности и в целом все метрические теории гравитации основаны на эквивалентности инерционной массы и гравитационной массы, формализованной в принципе эквивалентности Эйнштейна», — говорят ученые.

«Общая теория относительности — лучшая теория гравитации, которая у нас есть, однако, все еще есть много нерешенных загадок, которые тесно связаны с нашим неполным пониманием гравитации».

Принцип эквивалентности, важнейшая часть общей теории относительности Эйнштейна, гласит, что гравитационная сила, испытываемая в любой небольшой области пространства-времени, такая же, как псевдо-сила, испытываемая наблюдателем в ускоренной системе отсчета. Проверка этого принципа имеет ключевое значение, так как это может привести к интересным наблюдениям и расширить наше нынешнее понимание гравитации.

«Принцип эквивалентности Эйнштейна состоит из трех основных принципов», — объясняют ученые. «Один из них, называемый локальной инвариантностью положения (LPI), утверждает, что негравитационные измерения должны быть независимы от местоположения в пространстве-времени (характеризующегося гравитационным потенциалом), где они проводятся. Основная часть нашего исследования посвящена тестированию принцип LPI. »

Предыдущие наблюдения показывают, что большинство, если не все, массивные галактики содержат сверхмассивную черную дыру, которая обычно расположена в центре галактики. Масса сверхмассивной черной дыры галактического центра Млечного Пути в 4 миллиона раз больше массы Солнца. Таким образом, он (центр) генерирует сильнейшее гравитационное поле в галактике, что делает его идеальным местом для охоты на неизведанные явления и проверки общих принципов относительности.

Звезда S2, одна из самых ярких звезд в самой внутренней области Млечного Пути, наиболее близко подходит к сверхмассивной черной дырой галактического центра на расстоянии 16,3 световых часа. Другими словами, звезде требуется 16 лет, чтобы совершить полный оборот вокруг черной дыры, что в астрономических временных масштабах чрезвычайно быстро.

Звезда S2 входит и выходит из гравитационного поля черной дыры, поэтому команда коллаборации GRAVITY решила использовать его для проверки части принципа эквивалентности Эйнштейна.

«Как и было предсказано, и мы показали в предыдущем исследовании, опубликованном в июне 2018 года, при ближайшем приближении звезды S2 к черной дыре мы наблюдаем «гравитационное красное смещение» в свете звезды», — пояснил Мариам Хабиби, один из участников исследования. «Гравитационное красное смещение происходит из-за того, что интенсивная гравитация на поверхности звезды замедляет вибрацию световых волн, растягивая их и делая звезду более красной, чем она обычна видна с Земли».

Чтобы проверить принцип LPI Эйнштейна, исследователи использовали два разных типа атомов в звездной атмосфере S2: атомы водорода и гелия. Принцип LPI гласит, что гравитационное красное смещение, наблюдаемое в звезде, которая попадает в сильное гравитационное поле и выходит из него, зависит только от гравитационного потенциала и не зависит от других параметров, таких как внутренняя структура атома.

«Мы измерили изменение частоты света от этих атомов, движущихся через переменный потенциал», — сказал Хабиби. «Вибрация световых волн измерялась путем подбора скорости прямой видимости спектра S2 с использованием спектральных линий водорода и гелия отдельно. Измеряя разницу в изменении частоты для обоих атомов, мы смогли дать верхний предел для нарушение LPI во время прохождения перицентра. Если бы было очевидное нарушение LPI, мы должны были бы измерить очень отличную вибрацию световых волн от линий гелия и водорода. »

Принцип эквивалентности и общая теория относительности в целом являются просто теориями, поэтому их необходимо проверить, чтобы убедиться в их обоснованности. Пока что большинство исследователей проводят испытания на Земле и в Солнечной системе.

Однако эти теории также должны быть проверены в экстремальных сценариях, так как это может определить, сохраняются ли они до тех пор, и привести к более убедительным доказательствам. Такие тесты могут исключить некоторые принципы, которые формируют наше текущее понимание гравитации или выявить нарушения в теории общей теории относительности.

«Испытание принципа эквивалентности во всех различных режимах важно, так как несколько альтернативных теорий гравитации предсказывают нарушение в экстремальных условиях», — сказал Феликс Видманн, другой исследователь, участвовавший в работе.

«Для меня наиболее значимым выводом нашего исследования является то, что мы смогли проверить принцип эквивалентности в наиболее экстремальном случае: вблизи сверхмассивной черной дыры, которая находится на расстоянии более 20 тысяч световых лет. Ограничения, которые мы налагаем на нарушение, не являются еще окончательными, но они находятся в гравитационном режиме, который ранее полностью не испытывался».

Хабиби, Видманн и их коллеги были одними из первых, кто испытал часть принципа эквивалентности вблизи центральной сверхмассивной черной дыры Млечного Пути. Их работа дает ценную информацию о валидности общей теории относительности, особенно принципа LPI.

«Прошедший год был исключительно успешным для сотрудничества GRAVITY», — сказал Видманн. «Впервые мы наблюдали релятивистские эффекты на орбите звезды вокруг сверхмассивной черной дыры и использовали эту звезду для проверки принципа эквивалентности. Мы также наблюдали материал, вращающийся очень близко к черной дыре, еще одно наблюдение, которое было бы невозможно без гравитации. Однако для нас это скорее начало, чем конец».

Поскольку оптимальный сезон для наблюдения галактического центра уже не за горами, исследователи из коллаборации GRAVITY продолжат направлять свои телескопы на S2 и сверхмассивную черную дыру галактического центра.

По словам Видмана, команда вскоре сможет обнаружить более тонкие релятивистские эффекты на орбите S2, что позволит им еще раз проверить теорию общей теории относительности. В своих будущих наблюдениях исследователи также надеются, что они увидят больше вспышечной активности вокруг черной дыры, поскольку это позволит провести дальнейшие исследования, направленные на расширение их понимания черной дыры галактического центра Млечного Пути и черных дыр в целом.

«С будущими телескопами, как Extremely Large Telescope, имеющее зеркало диаметром 39 метров, мы сможем проводить аналогичные эксперименты и искать в миллионы раз меньший эффект от возможных нарушений LPI по сравнению с тем, что возможно сегодня», говорят ученые.

«Это позволит нам проверить другую часть принципа эквивалентности Эйнштейна, называемого принципом слабой эквивалентности, который гласит, что объект в гравитационном свободном падении физически эквивалентен объекту, который ускоряется с той же силой в отсутствие силы тяжести. Галактический центр — это уникальная обсерватория, и с помощью GRAVITY и будущих телескопов мы хотим узнать о ней как можно больше».

A. Amorim et al. Test of the Einstein Equivalence Principle near the Galactic Center Supermassive Black Hole, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.101102