Команда исследователей из нескольких известных институтов недавно протестировала часть принципа эквивалентности Эйнштейна, а именно локальную позитонную инвариантность (LPI), вблизи сверхмассивной черной дыры галактического центра. Их исследование изучало зависимость различных атомных переходов от гравитационного потенциала, чтобы дать верхний предел нарушений LPI.
По словам ученых, общая теория относительности лучшая теория гравитации, которая у нас есть, однако, есть еще много неразрешенных загадок, которые тесно связаны с нашим неполным пониманием гравитации.
Принцип эквивалентности утверждает, что гравитационная сила, испытываемая в любой небольшой области пространства времени, такая же, как псевдосила, испытываемая наблюдателем в ускоренной системе отсчета. Проверка этого принципа имеет ключевое значение, поскольку она может привести к интересным наблюдениям и расширить наше нынешнее понимание гравитации.
Как объяснили ученые, принцип эквивалентности Эйнштейна состоит из трех основных принципов. Один из них, называемый локальной позиционной инвариантностью (LPI), утверждает, что негравитационные измерения должны быть независимы от местоположения в пространстве-времени (характеризуемого гравитационным потенциалом), где они проводятся.
Основная часть исследования посвящена тестированию принципа LPI. Прошлые наблюдения показывают, что большинство, если не все, массивные галактики содержат сверхмассивную черную дыру. Она обычно расположена в центре галактики. Масса сверхмассивной черной дыры центра галактики Млечного Пути в 4 миллиона раз больше массы Солнца. Таким образом, она создает самое сильное гравитационное поле в галактике, что делает ее идеальным местом для поиска неисследованных явлений и проверки принципов общей теории относительности.
Звезда S2, одна из самых ярких звезд во внутренней области Млечного Пути, имеет самое близкое столкновение со сверхмассивной черной дырой центра галактики на расстоянии 16,3 световых часов. Другими словами, звезде требуется 16 лет, чтобы сделать полную орбиту вокруг черной дыры, которая в астрономических масштабах времени чрезвычайно коротка. S2 входит и выходит из гравитационного поля черной дыры, поэтому команда GRAVITY collaboration решила использовать его для проверки части принципа эквивалентности Эйнштейна.
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 входит и выходит из сильного гравитационного поля, зависит только от гравитационного потенциала и не зависит от других параметров, таких как внутренняя структура атома.
Исследователи измерили изменение частоты света от атомов, движущихся через изменяющийся потенциал. Вибрация световых волн измерялась путем подгонки скорости прямой видимости спектра S2 с использованием спектральных линий водорода и гелия отдельно.
Измеряя разницу в изменении частоты для обоих атомов, ученые смогли дать верхний предел нарушения LPI во время прохождения перицентра. Если бы имело место явное нарушение LPI, специалисты измерили бы очень различную вибрацию световых волн от гелиевой и водородной линий.
Принцип эквивалентности и общая теория относительности в целом являются просто теориями, поэтому их необходимо проверить, чтобы убедиться в их обоснованности. До сих пор большинство исследователей проводили испытания на Земле и в Солнечной системе.
Однако эти теории также должны быть проверены в экстремальных сценариях, поскольку это может определить, сохраняют ли они свою силу и приводят ли к более убедительным доказательствам. Такие тесты могли бы исключить некоторые из принципов, формирующих нынешнее понимание гравитации, или выявить нарушения из общей теории относительности. Проверка принципа эквивалентности во всех различных режимах важна, поскольку несколько альтернативных теорий гравитации предсказывают его нарушение в экстремальных условиях.
Ученые смогли проверить принцип эквивалентности близко к сверхмассивной черной дыре, которая находится на расстоянии более 20 тысяч световых лет. Их работа дает ценное представление о справедливости общей теории относительности, в частности принципа LPI.
В своих будущих наблюдениях исследователи также надеются, что они увидят больше факельной активности вокруг черной дыры, поскольку это позволит продолжить исследования, направленные на расширение их понимания черной дыры центра галактики Млечного Пути и черных дыр в целом.
