În urmă cu un secol, astronomul britanic Arthur Stanley Eddington și colegii săi au fotografiat o eclipsă de soare și au schimbat modul în care omenirea credea despre cer.
Acele fotografii, făcute pe 29 mai 1919, de la Sobral, Brazilia și Insula Príncipe din largul coastei de vest a Africii, au afirmat pentru prima dată o predicție cheie a teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein: Masa curbează spațiu-timp. Expedițiile au marcat o revoluție în fizică și au făcut din Einstein o celebritate.
Astăzi, fizicienii sunt din nou la asta – la o scară mult mai mare. În aprilie, colaborarea Event Horizon Telescope (EHT) a lansat prima imagine a marginii unei găuri negre (SN: 27.04.19, str. 6). Această imagine a arătat din nou că obiectele masive, cum ar fi găurile negre sau soarele, pot schimba modul în care se deplasează lumina, așa cum a prezis Einstein.
„EHT a făcut exact același lucru, dar în cel mai extrem exemplu imaginabil”, spune fizicianul și membru al echipei EHT Lia Medeiros de la Universitatea Arizona din Tucson. „Este aproape poetic că aceste două experimente au avut loc la aproape exact 100 de ani una dintre ele.”
Până acum, noile date despre găurile negre au confirmat relativitatea generală. Dar viitoarele imagini EHT ale fiarelor gravitaționale – în special cea din centrul propriei noastre galaxii – ar putea să facă găuri în faimoasa teorie a lui Einstein.
„De fiecare dată când avem o teorie care funcționează atât de spectaculos, vrei doar să o împingi la extreme”, spune astrofizicianul și membru al echipei EHT Michael Johnson de la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică. Iar găurile negre sunt „un laborator de extreme – aici putem indica o nouă fizică și putem indica crăpăturile în teoriile noastre existente”, spune el.
Acum o sută de ani, oamenii de știință nu aveau o gaură neagră pentru a testa fisurile în relativitatea generală – găurile negre erau doar chestii de imaginație pe atunci – dar au avut eclipsa totală de soare din 1919 (SN Online: 4/12/19). La acea vreme, teoria predominantă a gravitației era newtoniană, care spune că gravitația este o forță. Forțele pot accelera obiectele care au masă, dar, din moment ce lumina nu are masă, gravitația nu ar trebui să o afecteze, s-a gândit. Dar cu câțiva ani mai devreme, în 1915, Einstein și-a propus teoria generală a relativității, care spune că gravitația provine din deformarea materiei și a energiei spațiu-timpului, generând curbe care modifică mișcarea obiectelor sau chiar calea luminii în sine.
În fotografiile lui Eddington și ale colegilor săi ale eclipsei, stelele au apărut în diferite poziții pe cer în timpul eclipsei, când lumina lor trebuia să treacă de soare pentru a ajunge la observatorii pământești, decât într-o noapte obișnuită (SN Online: 8/15/17). Gravitația soarelui schimbase calea pe care o luase lumina stelelor. Einstein avea dreptate.
În zilele noastre, ideea că gravitația poate curba lumina este atât de bine înțeleasă încât fizicienii o folosesc pentru a cerceta proprietățile spațiu-timpului însuși. Înainte ca EHT să înceapă să preia date în 2017, de exemplu, oamenii de știință au folosit ecuațiile lui Einstein pentru a-și face o idee precisă despre cum ar trebui să arate o gaură neagră, dacă teoria nu s-a defectat în mediul extrem.
Găurile negre curbează spațiu-timp atât de extrem încât lumina rămâne prinsă în interiorul lor. Deci, fizicienii nu pot vedea lumina emisă de gaura neagră în mod direct. Dar ei pot vedea umbra găurii negre pe materialul strălucitor din jurul ei. În cadrul relativității generale, acea umbră ar trebui să aibă o dimensiune și o formă specifică: un cerc a cărui lățime este direct legată de masa sa. „Totul acesta iese din ecuațiile lui Einstein”, spune Johnson. „Dacă ai o altă teorie a gravitației, poți prezice un inel diferit pe cer.”
Prima fotografie a EHT a surprins gaura neagră din galaxia M87, la aproximativ 55 de milioane de ani lumină de Pământ, și arăta așa cum au crezut cercetătorii. „Din nou, GR trece cu brio, din câte putem spune în prezent”, spune Johnson.
Următorul test real al teoriei va veni atunci când echipa EHT va fotografia gaura neagră din centrul Căii Lactee, numită Săgetător A*. „Motivul pentru care Sgr A* este în multe privințe un test mai puternic pentru relativitate este că știm foarte precis exact cum ar trebui să arate acel inel, dacă [general relativity] rezistă cu adevărat”, spune Johnson.
De la astronomie la zoologie
Abonați-vă la Știri Științe pentru a vă satisface apetitul omnivor pentru cunoașterea universală.
Sgr A* este suficient de aproape, la aproximativ 26.000 de ani-lumină de Pământ, încât astronomii pot vedea stele individuale care se învârtesc în jurul găurii negre. Acest lucru oferă cercetătorilor o estimare extrem de precisă a masei sale și, prin urmare, a mărimii umbrei sale în interiorul unui inel strălucitor.
M87 este prea departe pentru ca fizicienii să fi măsurat masa găurii sale negre exact înainte de a realiza fotografia. Estimările anterioare ale masei diferă cu un factor de doi și numai măsurarea EHT le-a spus oamenilor de știință care masă era corectă (SN Online: 22.04.19). Dar această incertitudine în masă a însemnat că predicția pentru dimensiunea inelului era mult mai slabă.
„Acolo era mult spațiu de mișcare” pentru M87, spune Johnson. „Pentru sgr A*, aproape că nu există spațiu de mișcare.” Fie umbra lui Sgr A* are o anumită lățime, fie relativitatea generală este ruptă.
Din păcate, Sgr A* este o gaură neagră mult mai dificil de fotografiat decât M87. Este aproximativ o miime din masa lui M87. Pentru perspectivă, aceasta este de aproximativ 4 milioane de ori masa Soarelui, comparativ cu 6,5 miliarde de ori a lui M87. Aceasta înseamnă că materialul se învârte în jurul Sgr A* mult mai repede, făcând ca gaura neagră să pară să pâlpâie și să varieze pe parcursul unei singure nopți de observare.
Dar Medeiros și alții din echipa EHT lucrează la algoritmi de computer pentru a rezolva această variabilitate. Ar trebui să dureze mult mai puțin de încă un secol pentru a afla ce are de spus Sgr A* despre relativitatea generală.