Prima imagine a găurii negre a ajutat la testarea relativității generale într-un mod nou

Când prima imagine a unei găuri negre a fost lansată în aprilie 2019, aceasta a marcat o confirmare puternică a teoriei gravitației sau relativitatea generală a lui Albert Einstein.

Teoria nu numai că descrie modul în care materia deformează spațiu-timpul, ci și prezice însăși existența găurilor negre, inclusiv dimensiunea umbrei aruncate de o gaură neagră pe discul strălucitor de material care se învârte în jurul unora dintre obiectele dense. Acea imagine emblematică, a găurii negre supermasive din centrul galaxiei M87 la aproximativ 55 de milioane de ani lumină distanță, a arătat că umbra se potrivește îndeaproape cu predicțiile relativității generale cu privire la dimensiunea sa (SN: 4/10/19). Cu alte cuvinte, Einstein avea dreptate – din nou.

Acest rezultat, raportat de Event Horizon Telescope Collaboration, a răspuns la o întrebare: este dimensiunea găurii negre a lui M87 în concordanță cu relativitatea generală?

Dar „este foarte dificil să răspund la întrebarea opusă: cât de mult pot modifica relativitatea generală și totuși să fiu consecvent cu [black hole] măsurare?” spune membrul echipei EHT Dimitrios Psaltis de la Universitatea din Arizona din Tucson. Această întrebare este esențială, deoarece este încă posibil ca o altă teorie a gravitației să descrie universul, dar să se prefacă ca relativitate generală în apropierea unei găuri negre.

Într-un studiu publicat la 1 octombrie în Scrisori de revizuire fizicăPsaltis și colegii săi au folosit umbra găurii negre a lui M87 pentru a face un pas major spre excluderea acestor teorii alternative.

Mai exact, cercetătorii au folosit dimensiunea găurii negre pentru a efectua ceea ce este cunoscut sub numele de test de relativitate generală „de ordinul doi”, orientat spre creșterea încrederii în rezultat. Acest lucru „nu se poate face cu adevărat în sistemul solar”, deoarece câmpul gravitațional este prea slab, spune Lia Medeiros, membru al echipei EHT, de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, NJ.

Până acum, este bine pentru relativitate, au descoperit cercetătorii când au efectuat acest test de ordinul doi.

Rezultatele sunt la egalitate cu cele din experimentele cu unde gravitaționale, cum ar fi Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru cu laser avansat, care a detectat ondulații în spațiu-timp de la fuziunea găurilor negre mai mici decât cele ale lui M87 (SN: 16.09.19). Dar noul studiu este interesant pentru că „este prima încercare de a constrânge a [second-order] efect printr-o observare a unei găuri negre”, spune fizicianul Emanuele Berti de la Universitatea Johns Hopkins, care nu a fost implicat în noua lucrare.

În general, fizicienii cred că relativitatea generală este un set de corecții sau suplimente la teoria gravitației a lui Isaac Newton. Relativitatea generală prezice care ar trebui să fie acele suplimente. Dacă măsurătorile modului în care funcționează gravitația în univers se abate de la aceste predicții, atunci fizicienii știu că relativitatea generală nu este întreaga poveste. Cu cât se adaugă mai multe suplimente sau factori la un test, cu atât există mai multă încredere într-un rezultat.

În câmpurile gravitaționale slabe, cum ar fi în sistemul solar, fizicienii pot testa dacă adăugările „de ordinul întâi” la ecuațiile lui Newton sunt sau nu în concordanță cu relativitatea generală. Aceste completări sunt legate de lucruri precum modul în care lumina și masa călătoresc într-un spațiu-timp deformat sau modul în care gravitația face ca timpul să curgă mai lent.

Aceste aspecte ale gravitației au fost testate cu modul în care lumina stelelor este deviată în timpul unei eclipse de soare, de exemplu, și modul în care lumina laser trimisă către navele spațiale care zboară departe de Soare durează mai mult decât se aștepta să se întoarcă pe Pământ (SN: 29.5.19). Relativitatea generală a trecut de fiecare dată.

Dar este nevoie de un câmp gravitațional puternic, cum ar fi cel din jurul găurii negre a lui M87, pentru a crește testele cu un pas.

Noul rezultat este ușor dezamăgitor pentru fizicienii care speră să găsească fisuri în teoria lui Einstein. Găsirea unei abateri de la relativitatea generală ar putea indica calea către o nouă fizică. Sau ar putea ajuta la unirea relativității generale, a fizicii celor foarte mari și a mecanicii cuantice, teoria principală care descrie fizica celor foarte mici, cum ar fi particulele subatomice și atomii (SN: 3/30/20). Faptul că relativitatea generală încă refuză să se aplece este „îngrijorător pentru aceia dintre noi care sunt suficient de mari încât speram să obținem un răspuns în timpul vieții noastre”, spune Psaltis.

Dar există o oarecare speranță că relativitatea generală ar putea eșua în jurul găurilor negre. Noul studiu face cutia de moduri posibile prin care teoria să se descompună, „dar nu am făcut-o infinitezimală”, spune Medeiros. Studiul este „o dovadă a conceptului pentru a arăta că EHT ar putea face acest lucru… Dar este într-adevăr doar un pas din multe.”

Observațiile viitoare de la EHT vor face teste și mai precise de relativitate generală, spune ea, în special cu imaginile care nu au fost încă lansate ale Sgr A*, gaura neagră din centrul Căii Lactee. Cu măsurători mult mai precise ale masei lui Sgr A* decât orice altă gaură neagră supermasivă, acea imagine poate face cutia posibilă din jurul teoriei și mai mică – sau o poate deschide larg.