Di pusat galaksi Bima Sakti, hampir 26.000 tahun cahaya, sekelompok lingkaran bintang dekat dengan lubang hitam supermasif yang dikenal sebagai Sagittarius A *. Ketika beberapa lusin bintang ini, yang disebut bintang-S, mendekati lubang hitam — yang sekitar empat juta kali lebih masif daripada matahari — kekuatan gravitasinya yang sangat besar membuat mereka bergerak lebih cepat dari 16 juta mil per jam. Faktanya, tarikan gravitasi Sagitarius A * begitu kuat sehingga membelokkan cahaya dari bintang-bintang ini ketika mereka menyimpang terlalu dekat, meregangkan panjang gelombang menuju bagian merah dari spektrum elektromagnetik.
Satu bintang khususnya, S0-2, sangat dekat dengan Sagitarius A * sehingga para astronom telah menemukan itu menjadi salah satu laboratorium alam terbaik untuk menguji batas-batas teori gravitasi dasar kita: relativitas umum Einstein.
Selama lebih dari dua dekade, astrofisikawan telah melacak pergerakan S0-2 untuk lebih memahami cara kerja gravitasi dan menguji teori Einstein. Dengan menggambarkan posisi bintang dan mengukur spektrum cahayanya, para peneliti berharap untuk menentukan apakah orbit S0-2 di sekitar lubang hitam cocok dengan jalur yang diprediksi oleh relativitas umum. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan hari ini di Science, tim astronom internasional melaporkan bahwa perilaku bintang itu sesuai dengan teori gravitasi Einstein, yang menegaskan bahwa relativitas umum masih bertahan di wilayah sekitar lubang hitam supermasif — setidaknya untuk saat ini.
"Anda ingin menguji teori sedetrim lingkungan yang Anda bisa ... pada dasarnya mendorong teori lebih keras dari yang kita perkirakan, " kata Tuan Do, seorang ilmuwan peneliti di UCLA yang berspesialisasi dalam pusat galaksi dan penulis utama studi ini. .
Gambar orbit bintang-bintang di sekitar lubang hitam supermasif di pusat galaksi kita. Yang disorot adalah orbit bintang S0-2. Ini adalah bintang pertama yang memiliki ukuran yang cukup untuk menguji Relativitas Umum Einstein di sekitar lubang hitam supermasif. (Keck / UCLA Galactic Center Group) Teori relativitas umum Einstein menggambarkan tiga dimensi ruang dan satu dimensi waktu yang secara inheren terikat dalam "jalinan" ruangwaktu. Benda-benda besar, seperti bintang dan lubang hitam, membelokkan kain ini untuk meregangkan jarak dan memperlambat waktu, menarik benda-benda di sekitarnya ke arah mereka. Kami menganggap efek ini sebagai gravitasi — sebuah apel yang jatuh dari pohon. Tetapi cahaya juga dipengaruhi oleh gaya gravitasi, membungkuk ketika bergerak melalui ruangwaktu melengkung di sekitar objek besar.
Menurut relativitas umum, lubang hitam supermasif seperti Sagitarius A * menciptakan kurva besar dalam ruangwaktu, menghasilkan medan gravitasi yang sangat kuat. Ketika sebuah bintang bergerak dekat dengan lubang hitam seperti itu, foton cahaya yang dipancarkan ditarik ke lapangan, dan cahaya yang lolos dan membuatnya ke Bumi harus memanjat keluar dari sumur gravitasi lubang hitam. Hasilnya adalah bahwa cahaya yang diamati memiliki energi yang lebih rendah — frekuensi yang lebih rendah dan panjang gelombang yang lebih lama — menghasilkan spektrum yang lebih merah. Para ilmuwan membandingkan prediksi relativitas umum tentang efek ini, yang disebut pergeseran merah gravitasi, dengan panjang gelombang terukur dari cahaya yang masuk dari bintang-bintang seperti S0-2 untuk menguji apakah teori itu benar.
Namun, sejumlah faktor selain gravitasi dapat memengaruhi pergeseran merah, termasuk apakah suatu benda bergerak menjauh atau menuju pengamat. “Inti dari pertanyaannya adalah, pada dasarnya, dapatkah Anda mengukur semua efek lain ini dengan cukup baik sehingga Anda dapat dengan yakin mengatakan bahwa apa yang Anda lihat adalah pergeseran merah gravitasi, dan bukan hanya beberapa cara lain yang pada dasarnya dapat Anda sesuaikan orbitnya. bintang, "kata Do.
S0-2 mengorbit Sagitarius A * setiap 16 tahun. Pada Mei 2018, ia mencapai titik terdekatnya ke lubang hitam, datang dalam 120 unit astronomi (lebih dari 11 miliar mil) dan melakukan perjalanan di bawah tiga persen dari kecepatan cahaya (sekitar 18 juta mil per jam). Pada saat ini, efek pergeseran merah terutama terlihat ketika tarikan gravitasi Sagitarius A * bertambah kuat ketika bintang bergerak lebih dekat. Pada bulan Maret dan September tahun yang sama, bintang tersebut juga mencapai titik kecepatan radial maksimum dan minimum, yang berarti bintang itu bergerak tercepat dan paling lambat dalam kaitannya dengan pengamat di Bumi. Sinyal pergeseran merah dari ketiga peristiwa ini sangat penting untuk memetakan bentuk orbit bintang di mana efek gravitasi paling ekstrim.
"Sinyal pergeseran merah adalah yang terkuat di titik pendekatan terdekat karena paling dekat dengan lubang hitam, tapi itu bukan tempat yang paling mudah untuk diukur karena apa yang benar-benar sensitif terhadap kita ... adalah perubahan dalam kecepatan relatif, sehingga Anda ingin menangkapnya di sisi naik dan turunnya sinyal ini, ”kata Do.
Ketika bintang S0-2 semakin dekat ke lubang hitam di pusat galaksi kita, cahayanya membentang ke bagian yang lebih merah dari spektrum elektromagnetik, sebuah fenomena yang diprediksi oleh teori relativitas umum Einstein. (Nicole R. Fuller / Yayasan Sains Nasional) Lubang hitam supermasif membingungkan taman bermain untuk menguji fisika karena tidak cocok dengan teori dominan saat ini. "Lubang hitam sangat besar dan sangat kompak, jadi itu semacam tempat relativitas umum dan mekanika kuantum bertabrakan, " kata Do. Sementara mekanika kuantum mendeskripsikan partikel terkecil di alam semesta kita — suatu dunia tempat gravitasi biasanya dapat diabaikan — relativitas umum berkaitan dengan benda-benda masif yang memiliki medan gravitasi yang sangat besar. Beberapa fisikawan berharap bahwa kedua teori ini akan mencapai puncaknya di pusat lubang hitam, di mana massa yang sangat besar dianggap terkandung dalam volume yang sangat kecil, suatu titik yang dikenal sebagai singularitas gravitasi.
"Hampir semua upaya untuk memahami gravitasi pada tingkat kuantum, dan untuk memahami bagaimana itu cocok dengan kekuatan alam lainnya, tampaknya menunjukkan bahwa relativitas umum tidak lengkap dan harus rusak atau menyimpang dengan cara tertentu, dan gravitasi yang kuat adalah di mana ini akan terjadi, ”Kata Clifford Johnson, fisikawan teoretis dari University of Southern California yang tidak terlibat dalam penelitian ini, dalam email. "Lingkungan lubang hitam, baik besar maupun kecil, semakin menjadi arena pengamatan untuk gravitasi yang kuat ... di mana kita memiliki kesempatan untuk melihat di mana relativitas umum rusak, [dan] jika demikian, kemungkinan mengungkapkan fisika dari alam semesta kita, dan lebih banyak tentang sifat ruang dan waktu. "
Tim peneliti menggunakan kombinasi pencitraan teleskop dan spektroskopi untuk memetakan orbit S0-2. Karena atmosfer di sekitar Bumi selalu bergerak, mengaburkan pandangan kita tentang langit, mereka bergantung pada optik adaptif dan teknik yang disebut pencitraan speckle untuk menangkap gambar yang jelas — pada dasarnya, mereka menggunakan cermin fleksibel, melengkung ribuan kali per detik oleh aktuator, dan mengambil foto langit untuk memperbaiki kekaburan atmosfer.
“Atmosfer bumi sangat bagus untuk manusia, tetapi buruk untuk astronomi. ... Ini seperti melihat kerikil di bawah sungai, dan Anda mencoba mengukur posisi kerikil. ”Kata Do. "Pada dasarnya kita mencoba menghilangkan kelap-kelip di bintang-bintang."
Laser dari dua Teleskop Keck diperbanyak ke arah pusat galaksi. Setiap laser menciptakan bintang buatan yang dapat digunakan untuk mengoreksi kekaburan akibat atmosfer Bumi. (Ethan Tweedie) Para peneliti melacak orbit untuk S0-2 dan membandingkannya dengan prediksi dari model relativitas umum dan model fisika Newton yang lebih sederhana. Tim menemukan bahwa bintang itu bergerak hampir 450 ribu mil per jam lebih cepat daripada apa yang diprediksi oleh gravitasi Newton, dan bahwa model relativitas umum 43 ribu kali lebih mungkin menjelaskan pengamatan mereka.
"Teori relativitas umum Einstein sekali lagi terbukti benar, dalam akurasi pengukuran, " kata Nikodem Poplawski, seorang ahli matematika dan ahli fisika dari Universitas New Haven yang tidak terlibat dalam studi baru. Dia juga menunjukkan bahwa hasilnya mendukung keberadaan lubang hitam seperti yang dijelaskan oleh relativitas umum. "Selain apa yang diamati pada bulan April dengan gambar pertama dari lubang hitam, sekarang kita memiliki lebih banyak bukti di sini bahwa apa yang ada di dalam Bimasakti kita adalah lubang hitam supermasif."
Pekerjaan serupa yang dilaporkan tahun lalu juga mengklaim bahwa orbit S0-2 mengikuti prediksi relativitas umum. Namun, hasil baru ini menambah bukti tambahan dari tambahan tiga bulan data yang diambil ketika bintang itu paling dekat dengan Sagitarius A * dan sinyal pergeseran merah adalah yang terkuat, termasuk peristiwa orbital ketiga yang penting pada September tahun lalu.
"Kemungkinan bahwa Anda dapat mengukur relativitas umum di pusat galaksi telah ada selama satu dekade, " kata Do. "Untuk mengatakan bahwa kita akhirnya bisa melakukannya — ini bagiku menandakan dimulainya era bahkan lebih banyak tes gravitasi di sekitar pusat galaksi dan membuka banyak jalan bagi ilmu pengetahuan di sekitar lubang hitam supermasif." Bergerak maju, tim peneliti akan terus melacak gerakan bintang-S, menyelidiki lebih dalam ke misteri lubang hitam dan fisika yang mengatur alam semesta kita.
