Η διάσημη σκιά της μαύρης τρύπας παρέχει νέα δοκιμασία για νέες θεωρίες βαρύτητας
Το ξεπέρασμα του Άλμπερτ Αϊνστάιν έγινε ακόμα πιο σκληρό. Πριν από περισσότερα από 100 χρόνια, ο διάσημος φυσικός δημοσίευσε την εξήγησή του για τη βαρύτητα, γνωστή ως γενική σχετικότητα (GR), η οποία εξηγεί με επιτυχία τα πάντα, από τις τροχιές των πλανητών μέχρι την κάμψη του αστρικού φωτός. Ακόμα, μερικοί φυσικοί προσπαθούν να εφεύρουν θεωρίες που μπορούν να λύσουν γρίφους που το GR δεν μπορεί - για παράδειγμα, εξηγώντας την ανάγκη για αόρατη σκοτεινή ύλη, της οποίας η βαρύτητα φαίνεται να δεσμεύει τους γαλαξίες. Αλλά η πρώτη άμεση εικόνα μιας μαύρης τρύπας, που αποκαλύφθηκε πέρυσι, έχει τώρα ένα σκληρό νέο τεστ για τις θεωρίες της βαρύτητας. Αποτύχετε και η θεωρία σας έχει πεθάνει.
"Είναι ένα νέο στεφάνι για να πηδήξετε και ένα αρκετά στενό", λέει ο Feryal Özel, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα που βοήθησε στην επινοήση του νέου τεστ.
Το 1915, ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι η βαρύτητα προκύπτει επειδή μαζικά σώματα όπως η Γη παραμορφώνουν τον χώρο και τον χρόνο ή τον χωροχρόνο. Αυτός ο λυγισμένος χωροχρόνος προκαλεί την καμπύλη της διαδρομής ενός αντικειμένου που πέφτει ελεύθερα, με αποτέλεσμα το παραβολικό τόξο μιας οβίδας στη Γη ή την ελλειπτική τροχιά της Σελήνης. Στη δεκαετία του 1930, οι επιστήμονες ανακάλυψαν μια εκπληκτική επίπτωση του GR:Εάν ένα αστέρι με αρκετή μάζα καεί, ο πυρήνας του μπορεί να καταρρεύσει σε ένα απειροελάχιστο σημείο, αφήνοντας πίσω του τίποτα άλλο παρά ένα αυτοσυντηρούμενο, εξαιρετικά έντονο βαρυτικό πεδίο - μια μαύρη τρύπα, λεγόμενη επειδή σε μια ορισμένη απόσταση, ούτε καν το φως μπορεί να διαφύγει.
Μόλις πέρυσι οι άνθρωποι είδαν την πρώτη τους άμεση θέα μιας μαύρης τρύπας. Αυτό δεν δημιουργήθηκε από ένα μόνο αστέρι που καταρρέει, αλλά πιθανώς σχηματίστηκε όταν πολλές μαύρες τρύπες συγχωνεύτηκαν. Παραμονεύει στην καρδιά ενός γαλαξία που απέχει 53 εκατομμύρια έτη φωτός και ζυγίζει 65 δισεκατομμύρια φορές περισσότερο από τον Ήλιο. Για να το μελετήσει, μια ομάδα περισσότερων από 180 αστρονόμων και αστροφυσικών συντόνισε ραδιοφωνικά πιάτα σε όλο τον κόσμο για να εργαστεί ως ένα μεγάλο τηλεσκόπιο σε ένα έργο γνωστό ως Τηλεσκόπιο Ορίζοντα Συμβάντων (EHT).
Η εικόνα ψευδών χρωμάτων μοιάζει ακριβώς όπως θα έπρεπε:ένας φλογερός δακτύλιος που περιβάλλει μια μελανώδη μαύρη κουκκίδα. Η λάμψη εκπέμπεται από το καυτό αέριο που στροβιλίζεται γύρω από τη μαύρη τρύπα και η κουκκίδα στη μέση είναι η «σκιά» που ρίχνει η μαύρη τρύπα καθώς αιχμαλωτίζει κάθε φως που περνάει πολύ κοντά —ακόμα και από το αέριο μπροστά της. Οι επιστήμονες του EHT χρησιμοποίησαν το GR για να υπολογίσουν πόσο μεγάλη θα έπρεπε να εμφανιστεί αυτή η σκιά - η οποία μεγεθύνεται επίσης από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας - και διαπίστωσαν ότι τα αποτελέσματά τους συμφωνούσαν με την παρατήρηση.
Αλλά δεν μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν την εικόνα για να δοκιμάσουν άλλες θεωρίες της βαρύτητας, εξηγεί ο Özel, καθώς δεν είχαν εύκολο τρόπο να υπολογίσουν πόσο μεγάλη θα έπρεπε να είναι η σκιά εάν υπάρχει μια εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας. Τώρα, ο Özel και οι συνεργάτες του έχουν αναπτύξει έναν αρκετά απλό τρόπο για να κάνουν αυτόν τον υπολογισμό, αναφέρουν αυτήν την εβδομάδα στο Physical Review Letters . Αυτό δεν είναι κακό επίτευγμα, καθώς καταρχήν υπάρχουν σχεδόν αμέτρητοι τρόποι με τους οποίους κάποιος θα μπορούσε να τροποποιήσει ή να επεκτείνει τη θεωρία του Αϊνστάιν — ας πούμε, αλλάζοντας ακριβώς τον τρόπο με τον οποίο η ύλη και η ενέργεια παραμορφώνουν τον χωρόχρονο. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια μαύρη τρύπα, κάθε θεωρία πρέπει τελικά να παράγει μια μετρική — μια μαθηματική έκφραση που κωδικοποιεί το σχήμα του στρεβλωμένου χωροχρόνου στην περιοχή της μαύρης τρύπας.
Αυτή η μέτρηση μπορεί να γραφτεί σε μια κατά προσέγγιση μορφή ως άθροισμα όλο και μικρότερων μαθηματικών όρων. Ο πρώτος όρος είναι γνωστός και δίνει την πρόβλεψη του ΓΡ. Πειράματα στο δικό μας ηλιακό σύστημα έδειξαν ότι ο επόμενος όρος - τεχνικά γνωστός ως η πρώτη "μετανευτώνεια" διόρθωση - είναι πολύ κοντά στο μηδέν. Τώρα, ο Özel και οι συνεργάτες του έχουν δείξει ότι αν γράψουν τα μαθηματικά που περιγράφουν μια μαύρη τρύπα με τον σωστό τρόπο, το μέγεθος της σκιάς καθορίζεται από την επόμενη μετα-νευτώνεια διόρθωση. Έτσι, για να δοκιμάσουν μια νέα θεωρία της βαρύτητας, οι θεωρητικοί χρειάζεται μόνο να υπολογίσουν την τιμή που προβλέπει για αυτή τη δεύτερη μετανευτώνεια παράμετρο, λέει ο Özel. Εάν η τιμή πέφτει εκτός ενός συγκεκριμένου εύρους, σε αντίθεση με το μετρούμενο μέγεθος της σκιάς, η θεωρία είναι έξω. Χρησιμοποιώντας τη σκιά της μαύρης τρύπας, η ομάδα μείωσε το πιθανό εύρος για την παράμετρο κατά 500.
Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι μια μόνο παράμετρος ελέγχει το μέγεθος της σκιάς, λέει ο Ilya Mandel, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Monash, Clayton. "Μπορεί να σκεφτόμουν ότι υπάρχει κάποιος συνδυασμός 23 παραμέτρων που καθορίζει το μέγεθος της σκιάς και ότι θα είναι απίστευτα δύσκολο να τις αποχωριστείς", λέει.
Αλλά η χρησιμότητα του τεστ μπορεί να είναι περιορισμένη, λέει ο Emanuele Berti, θεωρητικός της βαρύτητας στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, καθώς οι θεωρητικοί δεν έχουν πολλές βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις για την GR εξαρχής. "Το να καταλήξουμε σε μια εναλλακτική λύση που είναι αρκετά διαφορετική από την GR για να δοκιμαστεί ενώ ταυτόχρονα είναι συμβατή με τα εκατομμύρια πράγματα που ήδη γνωρίζουμε για τη βαρύτητα είναι πολύ δύσκολο", λέει.
Πιο ελπιδοφόρα, λένε οι ερευνητές, θα είναι η σύγκριση της μέτρησης αυτής της συγκεκριμένης παραμέτρου με μετρήσεις που μπορούν να προκύψουν από μια άλλη νέα πηγή πληροφοριών για τη βαρύτητα:τις συγχωνεύσεις μικρότερων μαύρων οπών μέσω κυματισμών στο χωροχρόνο ή βαρυτικά κύματα. «Όλοι όσοι κάνουν ένα τεστ βαρύτητας προσπαθούν να το βάλουν στην ίδια γλώσσα [των μετανευτώνειων παραμέτρων] ώστε να μπορούμε να κάνουμε αυτή τη σύγκριση», λέει η Lia Medeiros, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών και συγγραφέας για το χαρτί. Εάν αυτά τα μέτρα διαφέρουν, τότε η GR μπορεί να μην είναι η τελευταία λέξη για τη βαρύτητα.
*Διόρθωση, 2 Οκτωβρίου, 4:05 μ.μ.: Μια προηγούμενη έκδοση αυτής της ιστορίας έγραφε λάθος το όνομα της Lia Medeiros.
