S301: žvaigždė, kuri išbando stipriąją gravitaciją

Atrodo tarsi kosminis iššūkis. Saulę primenanti žvaigždė sukasi taip arti Paukščių Tako centrinės juodosios skylės, kad jos orbitinis greitis viršija aštuonis procentus šviesos greičio. Trumpas, smarkus ir aiškiai reikšmingas.

Žvaigždė, kuri išbando gravitaciją

Pažymėta S301, ši žvaigždė dabar yra labiausiai reliatyvistinė S-žvaigždžių šeimos narė, besisukanti aplink Sagitarijaus A*. Šiek tiek masyvesnė už mūsų Saulę, S301 užbaigia pilną orbitą vos per 8.7 metų, trumpiausią orbitalinį periodą, užfiksuotą tarp savo kaimynių. Jos trajektorija yra labai ištempta, priartėjant iki maždaug 140 juodosios skylės spindulių artimiausiame priartėjime, tai apie 24 astronominius vienetus. Artimiausio priartėjimo taške žvaigždė atsiduria tarp Urano ir Neptūno orbitų mūsų Saulės sistemoje.

Kodėl tai svarbu? Nes tais atstumais ir greičiais Niutono gravitacija nebeaprašo situacijos pakankamai tiksliai. Skirtumai tarp Niutono dėsnių ir Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijos tampa matomi. Kai kurie efektai yra pažįstami. Kiti pasirodo tik ekstremaliose sąlygose.

Reliatyvistiniai ženklai: precesija, raudonėjimas ir daugiau

Viena aiškiausių požymių yra orbitinė precesija. Gal prisimenate Merkūro mažytį periheliono poslinkį kaip vieną ankstyvųjų bendrosios reliatyvumo teorijos testų. S301 perkelia tą testą į kitą režimą. Kiekviena orbita sukelia maždaug dviejų laipsnių periheliono poslinkį, tai keliais eilėmis didesnis efektas nei Merkūro atveju. Tokios precesijos dabartinėmis astrometrinėmis metodikomis nepastebėti neįmanoma.

Tačiau precesija yra tik pirmojo laipsnio istorija. S301 greičiu antrinio ir trečiojo laipsnio reliatyvistiniai terminai tampa svarbūs. Gravitaacinis raudonėjimas paslinks žvaigždės šviesą link ilgesnių bangų, kai ji bus giliai juodosios skylės potencialo duobėje. Skersinis Doplerio efektas pakeis stebimą dažnį, nes žvaigždė juda reikšminga šviesos greičio dalimi. Kartu šie efektai suteikia kelis nepriklausomus patikrinimus reliatyvistinėms prognozėms.

Sukis, aukštesnio laipsnio terminai ir konkuruojančios teorijos

Bendroji reliatyvumo teorija nėra vienintelė nagrinėjama teorinė sistema. Daugelis pastangų suderinti gravitaciją su kvantine mechanika prognozuoja smulkius nukrypimus dideliais greičiais arba stipriuose laukuose, dažnai proporcingus (v/c) kvadratui arba kubui. Pačios Sagitarijaus A* sukimasis ir tai, kaip šis sukimasis sąveikauja su žvaigždės judesiu, prideda dar vieną subtilumo sluoksnį. Šių aukštesnio laipsnio indėlių matavimas galėtų padėti atskirti bendrąją reliatyvumą nuo alternatyvių modelių.

Taigi S301 nėra vien tik greitai judanti žvaigždė. Tai natūrali laboratorija, kurioje konkuruojančios gravitacijos teorijos palieka skirtingus pėdsakus judesyje ir spektruose.

Stebėta žvaigždės S301 orbita. 

Stebėjimo kliūtys ir tolimesnis kelias

Nepaisant galimybių, S301 yra sudėtingas taikinys. Paukščių Tako centras yra uždengtas dulkių, blokuojančių optinę šviesą. Stebėtojai remiasi infraraudonaisiais instrumentais, kad įveiktų tą uždangą. Vis dėlto saulę primenanti žvaigždė, esanti dešimtims astronominių vienetų nuo supermasyvios juodosios skylės, infraraudonojoje srityje nėra ypač ryški. Dabartinės priemonės gali sekti S301 padėtį ir judesį, tačiau gauti aukštos kokybės spektrus svarbiausiais orbitiniais etapais tebėra iššūkis.

Būtent čia įsijungia naujosios kartos teleskopai. Prietaisai, tokie kaip Giant Magellan Telescope, suteiks spektrinį tikslumą, reikalingą antrinio ir trečiojo laipsnio reliatyvistiniams efektams matuoti. Su pakankamai tiksliomis spektrinėmis matavimo priemonėmis priartėjimo prie pericentro metu astronomai galėtų aptikti kombinuotą gravitaacinio raudonėjimo, Doplerio poslinkių ir juodosios skylės sukimąsi sukeliamos erdvės vilkimo požymį.

Laikas yra svarbus. Labiausiai išskiriančius matavimus gausime, kai S301 praeis arti Sagitarijaus A*. Šie langai yra trumpi ir reikalauja koordinuotų kampanijų, naudojant didžiausias žemės observatorijas ir adaptacines optikas. Kantrybė bus apdovanota.

Eksperto įžvalga

"S301 suteikia retą galimybę patikrinti gravitaciją režime, kurio paprasčiausiai negalime atkurti Žemėje," sakė dr. Elena Márquez, stebimosios astrofizikos specialistė, gerai susipažinusi su galaktikos centro monitoringą. "Jau nustatome aiškų reliatyvistinį judesį. Su naujos kartos spektrais galėsime atskirti juodosios skylės sukimąsi, žvaigždės greitį ir bet kokius mažus anomalinius signalus, galinčius nurodyti naują fiziką."

Jos pastabos pabrėžia praktinę ir teorinę naudą. Net ir nedideli matavimo tikslumo pagerinimai gali atmesti alternatyvių teorijų šeimas arba nurodyti reikalingus patikslinimus mūsų gravitacijos supratimui.

Išvados

S301 yra daugiau nei įspūdingas greičio rekordas. Tai stipriosios lauko gravitacijos sondė, aukštesnio laipsnio reliatyvistinių reiškinių bandymų poligonas ir taikinys, kuris atlygins kantrybę bei technines investicijas. Artėjantis didžiųjų teleskopų ir tikslios infraraudonosios spektroskopijos dešimtmetis žada paversti šią greitai judančią žvaigždę vienu aiškiausių instrumentų, leidžiančių suprasti, kaip gravitacija elgiasi, kai ją stumia iki ribų.