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, нам не часто потрібно її використовувати. Для більшості гравітаційних взаємодій теорія всесвітнього тяжіння Ньютона працює цілком добре. 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. Про це повідомляє сайт Phys.org.
Є гравітаційні ефекти, яких ньютонівська теорія не передбачає, наприклад, гравітаційні хвилі. 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 найрелятивістичнішою зорею, яку ми спостерігали. Вона дозволить перевірити деякі обмеження загальної теорії відносності. Наприклад, ми вже помітили, що орбіта S301 прецесує. Ми також спостерігали прецесію орбіти Меркурія. Це був один із класичних тестів ЗТВ. Але прецесія Меркурія дуже мала. Різниця в русі між передбаченням Ейнштейна і Ньютона менша, ніж тривалість одного людського серцебиття за одну орбіту. Для S301 перигелій рухається приблизно на 2° з кожною орбітою.
Вторинні релятивістські ефекти
Цей рух настільки екстремальний, що починають діяти вторинні релятивістські ефекти. До них належать гравітаційне червоне зміщення та поперечний ефект Доплера. Ми спостерігали ці ефекти в лабораторії, але S301 дає нам можливість вивчати їх у природі. Ще важливіше, з часом ми можемо використовувати S301 для дослідження альтернатив загальній теорії відносності.
Одна з великих проблем із загальною теорією відносності (ЗТВ) полягає в тому, що вона погано уживається з квантовою теорією. Кілька моделей намагаються об’єднати ці дві теорії, але вони відрізняються від ЗТВ лише в крайніх випадках. Деякі з цих відмінностей можна буде помітити на релятивістських швидкостях, бо ефекти на порядок дорівнюють (v/c)² або (v/c)³. Ефекти обертання чорної діри та її взаємодії з обертанням зорі також проявляються на цих порядках. 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.
