เป็นครั้งแรกที่มีการสังเกตผลกระทบของสัมพัทธภาพทั่วไปในสภาพแวดล้อมเช่นนี้ดาวฤกษ์ดวงเดียวที่เคลื่อนตัวไปรอบๆ หลุมดำขนาดมหึมาใจกลางทางช้างเผือก ได้ให้ข้อพิสูจน์ใหม่แก่นักดาราศาสตร์ว่าอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์พูดถูกเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง
100 กว่าปีที่แล้ว ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์เปิดเผยว่าแรงโน้มถ่วงเป็นผลมาจากสสารที่โค้งโครงสร้างของกาลอวกาศ ( SN: 10/17/15, p. 16 ) ตอนนี้ในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 26 กรกฎาคมในAstronomy & Astrophysicsทีมนักวิจัยรายงานการสังเกตลักษณะเด่นของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่เรียกว่า redshift โน้มถ่วง การวัดนี้นับเป็นครั้งแรกที่ได้รับการยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในบริเวณใกล้กับหลุมดำมวลมหาศาล
เมื่อแสงเล็ดลอดออกจากบริเวณที่มีสนามโน้มถ่วงสูง คลื่นของมันจะยืดออก
ทำให้แสงเป็นสีแดงขึ้น ในกระบวนการที่เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงสีแดงของแรงโน้มถ่วง นักวิทยาศาสตร์ซึ่งเป็นทีมที่รู้จักกันในชื่อการทำงานร่วมกันของ GRAVITY ใช้อาร์เรย์กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มาก ซึ่งตั้งอยู่ในทะเลทรายอาตากามาของชิลี เพื่อแสดงให้เห็นว่าแสงจากดาวฤกษ์ถูกเปลี่ยนสีแดงด้วยปริมาณที่ทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
นักวิทยาศาสตร์เคยสังเกตการเปลี่ยนแปลงความโน้มถ่วงมาก่อน อันที่จริงแล้ว ดาวเทียม GPS จะไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องหากไม่มีการคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วง แต่ผลกระทบดังกล่าวไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในบริเวณใกล้หลุมดำ นักฟิสิกส์ Clifford Will จาก University of Florida ใน Gainesville กล่าวว่า “นั่นเป็นเรื่องใหม่ทั้งหมด และฉันคิดว่านั่นคือสิ่งที่ทำให้มันน่าตื่นเต้น — การทำการทดลองแบบเดียวกันนี้ไม่ใช่บนโลกหรือในระบบสุริยะ แต่อยู่ใกล้หลุมดำ” กับการศึกษาใหม่
ที่ใจกลางของทางช้างเผือกมีหลุมดำมวลมหาศาลขนาดมหึมาที่ซ่อนตัวอยู่ ซึ่งมีมวลประมาณ 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ดาวหลายดวงหมุนรอบหลุมดำนี้ ( SN Online: 1/12/18 ) นักวิจัยมุ่งเป้าไปที่ดาวดวงหนึ่งที่เรียกว่า S2 ซึ่งโคจรรอบหลุมดำเป็นวงรีรอบหลุมดำทุก ๆ 16 ปี
ในเดือนพฤษภาคม 2018 ดาวฤกษ์เข้าใกล้หลุมดำมากที่สุด โดยรูดซิปด้วยความเร็ว 3 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง ซึ่งเร็วมากสำหรับดาวฤกษ์ ณ จุดนั้น ดาวฤกษ์อยู่ห่างจากหลุมดำเพียง 20 พันล้านกิโลเมตร อาจฟังดูห่างไกล แต่ระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์กับดาวเนปจูนประมาณสี่เท่า
การวัดผลกระทบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในละแวกใกล้เคียงของหลุมดำเป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากบริเวณนี้เต็มไปด้วยดวงดาว นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Tuan Do จาก UCLA ผู้ศึกษา S2 กล่าว แต่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้ หากพยายามสำรวจบริเวณนี้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่มองไม่เห็น “คุณจะเห็นความพร่ามัวนี้”
เพื่อให้ได้การวัดที่แม่นยำและระบุดวงดาวแต่ละดวงในฝูงชน
นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า adaptive optics ( SN Online: 7/18/18 ) ซึ่งสามารถแก้ไขการบิดเบือนที่เกิดจากชั้นบรรยากาศของโลก และรวมข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์สี่ตัวใน อาเรย์ของกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มาก “คุณสามารถนำแสงมารวมกันจากกล้องโทรทรรศน์ทั้งสี่ตัวนี้ และสร้างซูเปอร์กล้องโทรทรรศน์ … และนั่นก็เป็นกลอุบาย” ผู้เขียนร่วมการศึกษา Reinhard Genzel นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากสถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์นอกโลกใน Garching ประเทศเยอรมนีกล่าว Genzel และเพื่อนร่วมงานได้สังเกตดาวดวงนี้มาเป็นเวลาหลายสิบปีแล้ว นับตั้งแต่ก่อนที่มันจะแกว่งไปแกว่งมาที่หลุมดำเมื่อ 16 ปีที่แล้ว
ในงานในอนาคต นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะทดสอบด้านอื่นๆ ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป รวมถึงการทำนายของทฤษฎีว่าวงโคจรของ S2 ควรหมุนไปตามกาลเวลา ก่อนหน้านี้เคยพบการหมุนที่คล้ายกันในวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้นักดาราศาสตร์งงงวยจนกระทั่งทฤษฎีของไอน์สไตน์อธิบายผลกระทบนี้ ( SN Online: 4/11/18 )
นักวิจัยของ GRAVITY อาจพบดาวดวงอื่นที่โคจรเข้าใกล้หลุมดำมากขึ้น ทำให้พวกเขาเข้าใจหลุมดำได้ดีขึ้นและกลั่นกรองทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างละเอียดยิ่งขึ้น หากเป็นเช่นนั้น Will กล่าวว่า “พวกเขาจะเริ่มสำรวจหลุมดำนี้อย่างใกล้ชิดและเป็นส่วนตัว และมันจะเป็นชุดทดสอบชุดใหม่ที่ยอดเยี่ยมสำหรับทฤษฎีของไอน์สไตน์”
สุดคูล ตามที่ Abel และเพื่อนร่วมงานของเขากล่าว รัศมีของสสารมืดและเย็นยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยไม่คำนึงถึงการระเบิดของซุปเปอร์โนวาหรือแรงโนโนโนวาอื่นๆ นั่นเป็นเพราะว่านักทฤษฎีว่าด้วยสสารมืดเย็น มีปฏิกิริยาต่อแรงโน้มถ่วงเท่านั้นและไม่สามารถทนต่อแรงกดดันได้
ไม่กี่ล้านปีหลังจากดาวฤกษ์ดวงแรกระเบิด รัศมีแต่ละดวงมีน้ำหนักมากถึง 100 ล้านดวงอาทิตย์ ซึ่งเท่ากับมวลของดาราจักรแคระในปัจจุบัน อาเบลกล่าวว่ารัศมีมวลมหาศาลนี้เป็นอีกก้าวสำคัญของการก่อตัวดาวฤกษ์ เนื่องจากพวกมันสามารถดึงก๊าซที่กระจายตัวจากซุปเปอร์โนวากลับมาและบีบอัดให้มีอุณหภูมิสูงถึง 10,000 เคลวิน ก๊าซที่ร้อนสามารถทำให้เย็นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเพราะมีพลังงานเพียงพอที่จะกระตุ้นอะตอมไฮโดรเจน
เนื่องจากไฮโดรเจนปรมาณูเป็นสารหล่อเย็นที่ดี ก๊าซจำนวนมากจึงควบแน่นเป็นดาวฤกษ์มากเกินกว่าที่จะเกิดขึ้นได้ในตอนแรกของการกำเนิดดาว
