Năm 1915, Albert Einstein đã xuất bản Lý thuyết tương đối tổng quát nổi tiếng của mình, trong đó cung cấp một mô tả thống nhất về lực hấp dẫn như một tính chất hình học của không gian và thời gian. Lý thuyết này đã dẫn đến lý thuyết hiện đại về trọng lực và cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về vật lý. Mặc dù một thế kỷ đã trôi qua kể từ đó, các nhà khoa học vẫn đang tiến hành các thí nghiệm xác nhận dự đoán lý thuyết của ông.
Nhờ những quan sát gần đây được thực hiện bởi một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế (được gọi là sự hợp tác GRAVITY), lần đầu tiên, các hiệu ứng của Thuyết tương đối rộng đã được tiết lộ bằng cách sử dụng Lỗ đen siêu khối (SMBH). Những phát hiện này là đỉnh điểm của một chiến dịch 26 năm quan sát SMBH tại trung tâm Dải Ngân hà (Sagittarius A *) bằng cách sử dụng các thiết bị của Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO).
Nghiên cứu mô tả các kết quả nghiên cứu của nhóm gần đây đã xuất hiện trên tạp chí Thiên văn học và Vật lý thiên văn, có tiêu đề Phát hiện ra dịch chuyển đỏ hấp dẫn trên quỹ đạo của ngôi sao S2 gần trung tâm thiên hà khổng lồ Lỗ đen. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Roberto Arbuto thuộc ESO và bao gồm các thành viên từ sự hợp tác GRAVITY - được lãnh đạo bởi Reinhard Genzel của Viện Vật lý ngoài Trái đất Max Planck (MPE) và bao gồm các nhà thiên văn học từ nhiều trường đại học và viện nghiên cứu châu Âu.
Vì mục đích nghiên cứu của họ, nhóm nghiên cứu đã dựa vào dữ liệu được thu thập bởi các công cụ cực kỳ nhạy cảm và độ chính xác cao. Chúng bao gồm thiết bị đo thiên văn và giao thoa kế GRAVITY, Máy quang phổ cho các quan sát trường INtegral trong thiết bị hồng ngoại gần (SINFONI) và hệ thống quang học thích nghi Nasmyth (NAOS) - được gọi là Thiết bị quang học và quang phổ hồng ngoại (CONICA). NACO.
Các quan sát hồng ngoại mới được thu thập bởi các thiết bị này cho phép nhóm nghiên cứu theo dõi một trong những ngôi sao (S2) quay quanh Sagittarius A * khi nó đi qua phía trước lỗ đen - diễn ra vào tháng 5 năm 2018. Tại điểm gần nhất trong quỹ đạo của nó , ngôi sao ở cách hố đen chưa đến 20 tỷ km (12,4 tỷ dặm) và đang di chuyển với tốc độ vượt quá 25 triệu km / giờ (15 triệu dặm / giờ) - gần ba phần trăm tốc độ ánh sáng .
Trong khi thiết bị SINFONI được sử dụng để đo vận tốc của S2 về và ra khỏi Trái đất, thiết bị GRAVITY trong Giao thoa kế VLT (VLTI) đã thực hiện các phép đo chính xác về vị trí thay đổi của S2 để xác định hình dạng quỹ đạo của nó. Công cụ GRAVITY sau đó tạo ra những hình ảnh sắc nét cho thấy chuyển động của ngôi sao khi nó đi sát vào lỗ đen.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã so sánh các phép đo vị trí và vận tốc với các quan sát trước đây của S2 bằng các dụng cụ khác. Sau đó, họ so sánh các kết quả này với các dự đoán được đưa ra bởi Định luật vạn vật Newton, Thuyết tương đối rộng và các lý thuyết khác về trọng lực. Đúng như dự đoán, kết quả mới phù hợp với dự đoán của Einstein hơn một thế kỷ trước.
Như Reinhard Genzel, người ngoài việc là người lãnh đạo sự hợp tác GRAVITY là đồng tác giả trên báo, đã giải thích trong một thông cáo báo chí ESO gần đây:
Đây là lần thứ hai chúng tôi quan sát thấy sự đi qua của S2 xung quanh lỗ đen ở trung tâm thiên hà của chúng tôi. Nhưng lần này, do thiết bị được cải tiến nhiều, chúng tôi có thể quan sát ngôi sao với độ phân giải chưa từng có. Chúng tôi đã chuẩn bị mạnh mẽ cho sự kiện này trong nhiều năm, vì chúng tôi muốn tận dụng tối đa cơ hội duy nhất này để quan sát các hiệu ứng tương đối tính chung.
Khi quan sát bằng các dụng cụ mới của VLT, nhóm nghiên cứu đã ghi nhận một hiệu ứng gọi là dịch chuyển đỏ hấp dẫn, trong đó ánh sáng phát ra từ S2 đổi màu khi nó tiến gần đến lỗ đen. Điều này được gây ra bởi trường hấp dẫn rất mạnh của lỗ đen, làm kéo dài bước sóng của ánh sáng sao Star, khiến nó dịch chuyển về phía đầu đỏ của quang phổ.
Sự thay đổi bước sóng ánh sáng từ S2 phù hợp chính xác với những gì phương trình trường Einstein Einstein dự đoán. Như Frank Eisenhauer - một nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý ngoài Trái đất Max Planck, Nhà nghiên cứu chính của GRAVITY và máy quang phổ SINFONI, và đồng tác giả của nghiên cứu - đã chỉ ra:
“Những quan sát đầu tiên của chúng tôi về S2 với GRAVITY, khoảng hai năm trước, đã cho thấy rằng chúng tôi sẽ có phòng thí nghiệm lỗ đen lý tưởng. Trong suốt đoạn đường gần, chúng ta thậm chí có thể phát hiện ánh sáng mờ xung quanh lỗ đen trên hầu hết các hình ảnh, cho phép chúng ta theo dõi chính xác ngôi sao trên quỹ đạo của nó, cuối cùng dẫn đến việc phát hiện dịch chuyển đỏ hấp dẫn trong quang phổ của S2.”
Trong khi các thử nghiệm khác đã được thực hiện đã xác nhận dự đoán của Einstein, thì đây là lần đầu tiên các hiệu ứng của Thuyết tương đối rộng được quan sát thấy trong chuyển động của một ngôi sao xung quanh lỗ đen siêu lớn. Về mặt này, Einstein đã được chứng minh một lần nữa, sử dụng một phòng thí nghiệm cực đoan nhất cho đến nay! Hơn nữa, nó khẳng định rằng các xét nghiệm liên quan đến hiệu ứng tương đối tính có thể cung cấp kết quả nhất quán theo thời gian và không gian.
Ở đây trong Hệ mặt trời, chúng ta chỉ có thể kiểm tra các định luật vật lý bây giờ và trong một số trường hợp nhất định, ông nói, ông Francçar Delplancke, người đứng đầu Bộ phận Kỹ thuật hệ thống tại ESO. Vì vậy, nó rất quan trọng trong thiên văn học để kiểm tra xem những định luật đó có còn hiệu lực hay không khi các trường hấp dẫn mạnh hơn rất nhiều.
Trong tương lai gần, một thử nghiệm tương đối khác sẽ có thể xảy ra khi S2 di chuyển ra khỏi lỗ đen. Điều này được gọi là một tiên đoán Schwarzschild, nơi ngôi sao dự kiến sẽ trải qua một vòng quay nhỏ trong quỹ đạo của nó. Cộng tác GRAVITY cũng sẽ theo dõi S2 để quan sát hiệu ứng này, một lần nữa dựa vào các công cụ rất chính xác và nhạy cảm của VLT.
Như Xavier Barcons (Tổng giám đốc ESO) đã chỉ ra, thành tựu này có được nhờ vào tinh thần hợp tác quốc tế được thể hiện bởi sự hợp tác GRAVITY và các công cụ mà họ đã giúp ESO phát triển:
Cấm ESO đã làm việc với Reinhard Genzel và nhóm của anh ấy và cộng tác viên tại các quốc gia thành viên ESO trong hơn một phần tư thế kỷ. Đó là một thách thức lớn để phát triển các công cụ mạnh mẽ duy nhất cần thiết để thực hiện các phép đo rất tinh vi này và triển khai chúng tại VLT ở Paranal. Phát hiện được công bố hôm nay là kết quả rất thú vị của một quan hệ đối tác đáng chú ý.
Và hãy chắc chắn xem video này của thử nghiệm thành công GRAVITY Cộng tác, với sự giúp đỡ của ESO:
