約26, 000光年離れた天の川銀河の中心にある星団は、射手座A *として知られる超大質量ブラックホールの近くにあります。 S星と呼ばれるこれらの数十個の星がブラックホール（太陽の約400万倍の質量）に近づくと、その巨大な重力が時速1600万マイル以上の速さでそれらを回します。 実際、射手座A *の引力は非常に強いため、これらの星が近くに迷い込むと、これらの星からの光を反らせ、電磁スペクトルの赤い部分に向かって波長を伸ばします。
特に1つの星、S0-2は射手座A *に非常に近いため、天文学者はそれが私たちの重力の基本理論の限界をテストするための最高の自然研究所の1つであるとわかった：アインシュタインの一般相対性理論。
20年以上にわたって、天体物理学者はS0-2の動きを追跡して、重力の働きをより良く理解し、アインシュタインの理論を試してきました。 星の位置をイメージングし、その光のスペクトルを測定することにより、研究者は、ブラックホールの周りのS0-2の軌道が一般相対性理論によって予測された経路と一致するかどうかを判断したいと考えています。 Scienceで本日公開された研究では、国際的な天文学者チームは、星の挙動がアインシュタインの重力理論と一致することを報告し、一般相対性理論が超巨大ブラックホールを取り巻く領域で少なくとも今のところ維持されていることを確認しています。
「できる限り環境の極限で理論をテストしたい…本質的に理論を私たちが予想したよりも強く推し進めるために」と、銀河系中心の研究者であり研究の筆頭著者であるTuan Doは言う。 。
私たちの銀河の中心にある超巨大ブラックホールの周りの星の軌道の画像。 強調表示されているのは、星S0-2の軌道です。 これは、超大質量ブラックホールの周りのアインシュタインの一般相対性理論をテストするのに十分な測定値を持つ最初の星です。 （ケック/ UCLA銀河センターグループ） アインシュタインの一般相対性理論は、時空の「ファブリック」に本質的に束縛されている空間の3つの次元と時間の1つの次元を説明しています。 星やブラックホールなどの巨大なオブジェクトは、このファブリックを反らせて距離を伸ばし、時間を遅らせ、周囲のオブジェクトを引き寄せます。 私たちはこの効果を重力、つまり木から落ちるリンゴとして認識しています。 しかし、光は重力の影響も受け、巨大な物体の周りのゆがんだ時空を移動するときに曲がります。
一般相対性理論によれば、射手座A *のような超巨大ブラックホールは時空に大きな曲線を作り、非常に強い重力場を生み出します。 星がそのようなブラックホールの近くを移動すると、放出された光の光子がフィールドに引き込まれ、逃げて地球に到達する光はブラックホールの重力井戸から登らなければなりません。 その結果、観測された光のエネルギーが低くなり、周波数が低くなり、波長が長くなり、スペクトルが赤くなります。 科学者は、重力赤方偏移と呼ばれるこの効果の一般相対性理論の予測を、S0-2のような星からの入射光の測定波長と比較して、理論が当てはまるかどうかをテストします。
ただし、重力以外の多くの要因が赤方偏移に影響を与える可能性があります。これには、オブジェクトが遠ざかったり、観測者に向かっているかどうかも含まれます。 「質問の核心は、基本的に、これらの他のすべての効果を十分に測定して、見ているものが重力の赤方偏移であると自信を持って言うことができるかどうかです。星」と言います。
S0-2は16年ごとに射手座A *を周回しています。 2018年5月、ブラックホールに最も近い地点に到達し、120天文単位（110億マイル超）以内に到達し、光速度の3％未満（時速約1800万マイル）で移動しました。 このとき、射手座A *の引力が星が近づくと強くなるため、赤方偏移効果は特に顕著です。 同じ年の3月と9月に、星はそれぞれ最大半径速度と最小半径速度のポイントに到達しました。つまり、地球上の観測者に対して最も速く、最も遅く動いていました。 これら3つのイベントからの赤方偏移信号は、重力の影響が最も極端な星の軌道の形状をマッピングするために重要です。
「赤方偏移信号は、ブラックホールに最も近いため、最も接近した地点で最も強くなりますが、それは、最も敏感なのは相対速度の変化であるため、測定が最も簡単な場所ではありません。この信号の立ち上がり側と立ち下がり側で」とDo氏は言います。
星S0-2が銀河の中心にあるブラックホールに近づくと、光は電磁スペクトルのより赤い部分に引き伸ばされます。これは、アインシュタインの一般相対性理論によって予測される現象です。 （ニコールR.フラー/国立科学財団） 超大質量ブラックホールは、今日の支配的な理論にきちんと適合しないため、物理学をテストするための不可解な遊び場です。 「ブラックホールは非常に大きく、非常にコンパクトなので、一般相対性理論と量子力学が衝突するような場所です」とDo氏は言います。 量子力学は私たちの宇宙の最も小さな粒子、通常重力を無視できる領域を説明しますが、一般相対性理論は、巨大な重力場を持つ巨大な物体を扱います。 一部の物理学者は、これらの2つの理論がブラックホールの中心に来ると予想しています。ブラックホールでは、重力の特異点として知られる無限の小さなボリュームに巨大な質量が含まれると考えられています。
「量子レベルで重力を理解し、それが自然の他の力とどのように適合するかを理解しようとするほとんどすべての試みは、一般相対性理論が不完全であり、何らかの方法で破壊または逸脱しなければならないことを示唆しているようです。 」と、研究に関与しなかった南カリフォルニア大学の理論物理学者であるClifford Johnson氏は電子メールで述べています。 「大小両方のブラックホールの近傍は、ますます強い重力の観測分野になりつつあります。そこでは、一般相対性理論が崩壊する場所を見る機会があります。空間と時間の性質についての詳細。」
研究チームは、望遠鏡画像と分光法の組み合わせを使用して、S0-2の軌道をマッピングしました。 地球の周囲の大気は常に移動しており、空の景色がぼやけているため、補償光学とスペックルイメージングと呼ばれる技術を使用して鮮明な画像を撮影しました。基本的に、柔軟なミラーを使用し、アクチュエータで毎秒数千回歪ませ、空のスナップショットを撮影して、大気のぼけを補正しました。
「地球の大気は人間にとっては素晴らしいが、天文学にとっては悪い。 ...それは川の下の小石を見ているようなもので、小石の位置を測定しようとしています。」 「基本的に、星のきらめきを除去しようとしています。」
2つのケック望遠鏡からのレーザーは、銀河中心の方向に伝播しました。 各レーザーは、地球の大気によるぼやけを補正するために使用できる人工星を作成します。 （イーサン・トゥイーディー） 研究者は、S0-2の軌道を追跡し、一般相対性理論モデルとより単純なニュートン物理学モデルからの予測と比較しました。 チームは、星がニュートンの重力が予測する速度よりも時速45万マイル近く速く動いており、一般相対性理論モデルが観測を説明する可能性が43千倍高いことを発見しました。
「アインシュタインの相対性理論は、測定の精度の範囲内で再び正しいことを証明します」と、新しい研究に関与しなかったニューヘブン大学の数学者で物理学者のニコデム・ポプロフスキは言います。 彼はまた、一般相対性理論で説明されているように、結果がブラックホールの存在を支持していることを指摘しています。 「4月にブラックホールの最初の写真で観測されたものに加えて、天の川の中にあるものが超巨大ブラックホールであるという証拠がここにあります。」
昨年報告された同様の研究は、S0-2の軌道が一般相対性理論の予測に従ったと主張しました。 ただし、これらの新しい結果は、星が射手座A *に最も近く、赤方偏移シグナルが最も強かったときに追加の3か月のデータから追加の証拠を追加します。昨年9月の重要な3番目の軌道イベントを含みます。
「銀河系の中心で一般相対性理論を測定できる可能性は、10年前からありました」とDo氏は言います。 「ついにそれができると言って、これは私に銀河の中心の周りのさらに多くの重力のテストの時代の始まりを示し、超大質量ブラックホールの周りのより多くの科学のための多くの道を開きます。」研究チームはS星の動きを追跡し続け、ブラックホールの謎と私たちの宇宙を支配する物理学をさらに詳しく調べます。
