Астрономи спостерігають за особливою зорею, що обертається навколо надмасивної чорної діри в центрі нашого Чумацького Шляху. Ці дослідження допоможуть науковцям краще вивчити релятивістські ефекти та перевірити загальну теорію відносності.
Межі ньютонівської фізики та загальної теорії відносності
Хоча загальна теорія відносності (ЗТВ) є елегантною теорією гравітації, у багатьох випадках достатньо класичної теорії всесвітнього тяжіння Ньютона. Модель англійського фізика достатньо точна, щоб керувати космічними кораблями по Сонячній системі та для більшості світил, що обертаються навколо Стрільця A*, надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху. Лише для найближчих до чорної діри світил стають помітними ефекти, які можна пояснити лише за допомогою загальної теорії відносності. Про це повідомляє сайт Phys.org.
Є гравітаційні ефекти, яких ньютонівська теорія не передбачає, наприклад, гравітаційні хвилі та викривлення простору-часу. Однак у більшості практичних ситуацій її передбачення майже не відрізняються від загальної теорії відносності Ейнштейна. Ще менші відмінності існують між теорією Ейнштейна та альтернативними релятивістськими моделями гравітації. Перевірити їх експериментально надзвичайно складно. Проте нещодавно відкрита зоря може допомогти розсунути ці межі.
Зоря на орбіті навколо Стрільця A*
Ця зоря має скромне позначення S301, адже є 301-ю у каталозі відомих S-зір, що обертаються навколо Стрільця A*. Вона трохи масивніша за Сонце й здійснює повний оберт навколо надмасивної чорної діри всього за 8,7 року. Це найкоротший відомий період обертання серед усіх S-зір, а орбіта S301 надзвичайно еліптична. У момент найближчого підходу вона проходить на відстані приблизно 140 радіусів від Стрільця A*, або близько 24 астрономічних одиниць. Іншими словами, якби Стрілець A* був у центрі нашої Сонячної системи, його горизонт подій знаходився б трохи всередині орбіти Меркурія, а при найближчому підході S301 пройшла б між орбітами Урана та Нептуна. Вона також рухалася б зі швидкістю більше ніж 8 % від світлової.
Це робить S301 найкращою лабораторією для перевірки ефектів ЗТВ. Її рух дає змогу провести один із найточніших тестів загальної теорії відносності поблизу надмасивної чорної діри. Одним із головних ефектів є прецесія перицентра орбіти. Аналогічне явище спостерігається і для Меркурія, прецесія якого стала одним із класичних підтверджень загальної теорії відносності. Проте для Меркурія різниця між передбаченнями Ньютона й Ейнштейна становить лише 43 кутові секунди за століття — надзвичайно малу величину. Натомість у S301 перицентр зміщується приблизно на 2° під час кожного оберту навколо Стрільця A.
Вторинні релятивістські ефекти
Екстремальний рух S301 дає змогу досліджувати не лише класичні, а й релятивістські ефекти вищого порядку. Серед них гравітаційне червоне зміщення та поперечний ефект Доплера. Обидва явища вже були підтверджені в лабораторних експериментах і під час астрономічних спостережень, але S301 дозволить вивчати їх у значно сильнішому гравітаційному полі.
Ще важливіше, що тривалі спостереження за цією зорею можуть стати одним із найточніших тестів загальної теорії відносності та допомогти перевірити альтернативні релятивістські теорії гравітації, які передбачають ледь помітні відхилення від моделі Ейнштейна.
Одна з головних проблем сучасної фізики полягає в тому, що загальну теорію відносності досі не вдалося повністю поєднати з квантовою теорією. Існує кілька альтернативних моделей гравітації та теорій квантової гравітації, однак у звичайних умовах їхні передбачення майже не відрізняються від моделі Ейнштейна.
Відхилення проявляються лише в екстремальних умовах і з’являються у членах порядку (v/c)² або (v/c)³. До них належать, зокрема, ефекти, пов’язані з обертанням чорної діри та взаємодією її власного моменту імпульсу з орбітальним рухом зорі. Майбутні великі телескопи, такі як Гігантський телескоп Магеллана (GMT), зможуть спостерігати спектри S301 з достатньою точністю, щоб виміряти ефекти другого і третього порядку.
Обмеження спостереження за S301
Поки що спостереження за S301 залишається викликом. Центр нашої Галактики вкритий хмарами та пилом, тож ми не можемо спостерігати його у видимому світлі. Оскільки S301 — сонцеподібна зоря, вона не особливо яскрава, навіть в інфрачервоному діапазоні. Ми можемо спостерігати її рух, але не можемо отримати значущі спектральні дані.
Але, як і з усім у відносності, це лише питання часу.
