في عام 1915 ، نشر ألبرت أينشتاين نظريته الشهيرة عن النسبية العامة ، والتي قدمت وصفًا موحدًا للجاذبية كخاصية هندسية للفضاء والزمان. أدت هذه النظرية إلى ظهور نظرية الجاذبية الحديثة وأحدثت ثورة في فهمنا للفيزياء. على الرغم من مرور قرن منذ ذلك الحين ، لا يزال العلماء يجرون تجارب تؤكد توقعات نظريته.
بفضل الملاحظات الأخيرة التي أدلى بها فريق من علماء الفلك الدوليين (المعروف باسم تعاون الجاذبية) ، تم الكشف عن آثار النسبية العامة باستخدام ثقب أسود فائق (SMBH) لأول مرة. كانت هذه النتائج تتويجا لحملة استمرت 26 عاما من رصدات SMBH في مركز درب التبانة (القوس A *) باستخدام أدوات المرصد الجنوبي الأوروبي (ESO).
ظهرت الدراسة التي تصف نتائج الفريق مؤخرًا في المجلة الفلك والفيزياء الفلكيةبعنوان "كشف الانزياح الأحمر الثقالي في مدار النجم S2 بالقرب من الثقب الأسود الهائل لمركز المجرة". قاد الدراسة روبرتو أربوتو من ESO وتضمنت أعضاء من تعاون GRAVITY - الذي يقوده Reinhard Genzel من معهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض (MPE) ويتضمن علماء الفلك من العديد من الجامعات ومعاهد البحوث الأوروبية.
من أجل دراستهم ، اعتمد الفريق على البيانات التي جمعتها أدوات VLT الحساسة للغاية والدقة العالية. وشملت هذه أداة GRAVITY الفلكية وقياس التداخل ، و Spectrograph للرصد الميداني المتكامل في الأشعة تحت الحمراء القريبة (SINFONI) ، وأداة Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - التصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة وأجهزة التصوير الطيفي (CONICA) ، والمعروفة معًا باسم NACO.
سمحت ملاحظات الأشعة تحت الحمراء الجديدة التي تم جمعها بواسطة هذه الأدوات للفريق بمراقبة أحد النجوم (S2) التي تدور حول القوس A * أثناء مروره أمام الثقب الأسود - الذي حدث في مايو 2018. في أقرب نقطة في مداره ، كان النجم على مسافة تقل عن 20 مليار كيلومتر (12.4 مليار ميل) من الثقب الأسود وكان يتحرك بسرعة تتجاوز 25 مليون كيلومتر في الساعة (15 مليون ميل في الساعة) - ما يقرب من ثلاثة بالمائة من سرعة الضوء .
في حين تم استخدام أداة SINFONI لقياس سرعة S2 باتجاه الأرض وبعيدًا عن الأرض ، قامت أداة GRAVITY في مقياس التداخل VLT (VLTI) بإجراء قياسات دقيقة بشكل غير عادي للموضع المتغير لـ S2 من أجل تحديد شكل مداره. ثم صنعت أداة الجاذبية الصور الحادة التي كشفت عن حركة النجم وهي تمر بالقرب من الثقب الأسود.
ثم قارن الفريق قياسات الموقع والسرعة بالملاحظات السابقة لـ S2 باستخدام أدوات أخرى. ثم قارنوا هذه النتائج بالتنبؤات التي وضعها قانون نيوتن للجاذبية الكونية والنسبية العامة ونظريات الجاذبية الأخرى. كما هو متوقع ، كانت النتائج الجديدة متسقة مع توقعات آينشتاين منذ أكثر من قرن.
كما أوضح راينهارد جينزيل ، الذي كان بالإضافة إلى كونه قائد تعاون GRAVITY مؤلفًا مشاركًا في الورقة ، في بيان صحفي حديث لـ ESO:
"هذه هي المرة الثانية التي لاحظنا فيها المرور القريب لـ S2 حول الثقب الأسود في مركز المجرة. لكن هذه المرة ، بسبب الأدوات المحسنة كثيرًا ، تمكنا من ملاحظة النجم بدقة غير مسبوقة. لقد استعدنا بشكل مكثف لهذا الحدث على مدى عدة سنوات ، حيث أردنا الاستفادة القصوى من هذه الفرصة الفريدة لمراقبة التأثيرات النسبية العامة ".
عندما لوحظ باستخدام أدوات VLT الجديدة ، لاحظ الفريق تأثيرًا يسمى الانزياح الأحمر الثقالي ، حيث تغير لون الضوء القادم من S2 عندما اقترب من الثقب الأسود. كان هذا بسبب مجال الجاذبية القوي جدًا للثقب الأسود ، الذي امتد الطول الموجي لضوء النجم ، مما تسبب في تحوله نحو الطرف الأحمر من الطيف.
يتفق التغيير في الطول الموجي للضوء من S2 بدقة مع ما توقعته معادلة أينشتاين الميدانية. كما أشار فرانك أيزنهاور - باحث من معهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض ، الباحث الرئيسي في الجاذبية و مطياف سينفوني ، والمؤلف المشارك في الدراسة -:
“أظهرت ملاحظاتنا الأولى عن S2 مع الجاذبية ، قبل عامين ، أنه سيكون لدينا مختبر الثقب الأسود المثالي. خلال الممر القريب ، يمكننا حتى اكتشاف التوهج الخافت حول الثقب الأسود في معظم الصور ، مما سمح لنا بمتابعة النجم بدقة في مداره ، مما أدى في النهاية إلى اكتشاف الانزياح الأحمر الثقالي في طيف S2.”
في حين تم إجراء اختبارات أخرى أكدت توقعات آينشتاين ، فهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها ملاحظة آثار النسبية العامة في حركة نجم حول ثقب أسود فائق الكتلة. في هذا الصدد ، تم إثبات صحة آينشتاين مرة أخرى ، باستخدام أحد أكثر المختبرات تطرفًا حتى الآن! علاوة على ذلك ، فقد أكدت أن الاختبارات التي تنطوي على تأثيرات نسبية يمكن أن تقدم نتائج متسقة مع مرور الوقت والمكان.
"هنا في النظام الشمسي يمكننا فقط اختبار قوانين الفيزياء الآن وفي ظل ظروف معينة" ، قالت فرانسواز Delplancke ، رئيس قسم هندسة النظم في ESO. "لذا من المهم جدًا في علم الفلك أن تتأكد أيضًا من أن هذه القوانين لا تزال صالحة حيث تكون مجالات الجاذبية أقوى بكثير."
في المستقبل القريب ، سيكون من الممكن إجراء اختبار نسبي آخر حيث يتحرك S2 بعيدًا عن الثقب الأسود. يُعرف هذا ببدء شوارزشيلد ، حيث من المتوقع أن يشهد النجم دورانًا صغيرًا في مداره. ستقوم شركة GRAVITY Collaboration بمراقبة S2 لمراقبة هذا التأثير أيضًا ، مرة أخرى بالاعتماد على أدوات VLT الدقيقة والحساسة للغاية.
كما أشار Xavier Barcons (المدير العام لـ ESO) ، فقد تحقق هذا الإنجاز بفضل روح التعاون الدولي الذي يمثله تعاون GRAVITY والأدوات التي ساعدوا ESO على تطويرها:
“عملت ESO مع راينهارد جينزيل وفريقه والمتعاونين معه في الدول الأعضاء في ESO لأكثر من ربع قرن. لقد كان تحديا كبيرا لتطوير الأدوات القوية الفريدة اللازمة لإجراء هذه القياسات الدقيقة للغاية ونشرها في VLT في Paranal. الاكتشاف الذي تم الإعلان عنه اليوم هو نتيجة مثيرة للغاية لشراكة رائعة ".
وتأكد من الاطلاع على هذا الفيديو حول اختبار GRAVITY Collaboration الناجح ، مقدمة من ESO:
