Wissenschaftler bekräftigen die allgemeine Relativitätstheorie, indem sie das Schwarze Loch der Milchstraße untersuchen
Wissenschaftler bekräftigen die allgemeine Relativitätstheorie, indem sie das Schwarze Loch der Milchstraße untersuchen
Anonim

Unser Konzept von allem ist nicht mehr dasselbe, seit Albert Einstein, ein Wunderkind der Mathematik, das im selben Jahr an der Universität Zürich promoviert hatte, vier bahnbrechende Arbeiten veröffentlichte. Eine dieser Arbeiten war die heute bekannte Theorie der Speziellen Relativitätstheorie.

Zusammen mit Einsteins späterer Allgemeiner Relativitätstheorie ist diese Theorie eine der beiden Säulen der modernen Physik. Die andere Säule ist die Theorie der Quantenmechanik.

Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass die Gesetze der Physik für alle nicht beschleunigenden Beobachter gleich sind. Es argumentiert auch, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig von der Bewegung aller Beobachter ist.

Die Wissenschaft ist in den 114 Jahren seit der Veröffentlichung der Speziellen Relativitätstheorie unaufhaltsam vorangekommen. Und da sie das Markenzeichen wahrer Wissenschaft ist, wurde die Spezielle Relativitätstheorie ständig angetastet und herausgefordert, aber nie als mangelhaft befunden.

Das gilt auch für die Allgemeine Relativitätstheorie, die besagt, dass massive Objekte eine Verzerrung oder Krümmung in der Raumzeit verursachen, die als Gravitation empfunden wird. Einsteins Theorie ist immer noch die beste Beschreibung, die wir haben, wie die Gravitation außerhalb eines Schwarzen Lochs funktioniert.

"Allerdings beginnt die Allgemeine Relativitätstheorie an den Rändern auszufransen, hält aber immer noch", sagte Dr. Andrea Ghez, Professorin für Physik und Astronomie an der UCLA, deren Forschungsteam die Umlaufbahn eines Sterns in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs untersuchte einen klareren Blick darauf, wie sich die Schwerkraft verhält, sagte. Sie ist außerdem Inhaberin des Lauren B. Leichtman und Arthur E. Levine Lehrstuhls für Astrophysik.

Dabei bekräftigten die Forscher die Allgemeine Relativitätstheorie, da die Theorie nicht ausreichend erklären kann, was genau ein Schwarzes Loch ist.

"Einstein hat zumindest vorerst Recht", sagte Dr. Ghez, einer der Hauptautoren der Studie. „Wir können Newtons Gravitationsgesetz absolut ausschließen. Unsere Beobachtungen stimmen mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein.“

Dr. Ghez sagte jedoch, die Allgemeine Relativitätstheorie zeige definitiv Verwundbarkeit, da sie die Gravitation in einem Schwarzen Loch nicht vollständig erklären kann. Sie merkte an, dass Wissenschaftler irgendwann „über Einsteins Theorie hinaus zu einer umfassenderen Theorie der Gravitation übergehen müssen, die erklärt, was ein Schwarzes Loch ist“.

Dr. Ghez und ihr von der UCLA geleitetes Astronomenteam führten direkte Messungen des Phänomens in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs durch, und zwar in einem Ansatz, den sie "extreme Astrophysik" nennt.

Sie sagte, ihr Forschungsteam sei eine von nur zwei Gruppen auf der Welt, die einen Stern namens S0-2 beobachtet haben, der eine vollständige dreidimensionale Umlaufbahn um das supermassive Schwarze Loch namens Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße machte. Sie konnten die Vermischung von Raum und Zeit in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs beobachten.

Die Arbeit von Dr. Ghez und ihrem Team ist die detaillierteste Studie, die jemals über den Schützen A* und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie durchgeführt wurde.

Die volle Umlaufbahn von S0-2 dauert 16 Jahre, und die Masse des Schwarzen Lochs ist etwa vier Millionen Mal so groß wie die unserer Sonne. Die Forscher untersuchten Photonen (oder Lichtteilchen) auf ihrer Reise von S0-2 zur Erde. S0-2 bewegte sich bei seiner nächsten Annäherung mit einer unglaublichen Geschwindigkeit von mehr als 25 Millionen Meilen pro Stunde um Sagittarius A* herum, da die Schwerkraft in der Nähe eines Schwarzen Lochs viel stärker ist als auf der Erde.

S0-2

Die Schlüsseldaten der Forschung waren Spektren, die im April, Mai und September analysiert wurden, als sich ihr „Lieblingsstern“dem riesigen Sagittarius A* am nächsten näherte. Spektren (oder nach Dr. Ghez der „Regenbogen des Lichts“von Sternen) zeigten die Intensität des Lichts und boten wichtige Informationen über den Stern, von dem das Licht ausgeht.

Spectra zeigte auch die Zusammensetzung des Sterns. Diese Daten wurden mit Messungen kombiniert, die Dr. Ghez und ihr Team in den letzten 24 Jahren durchgeführt haben. Spektren wurden am W.M. Keck-Observatorium auf Hawaii mit einem Spektrographen, der an der UCLA von einem Team um den Kollegen James Larkin gebaut wurde.

Dr. Ghez sagte, Larkins Instrument nahm Licht von einem Stern und zerstreute es, ähnlich wie Regentropfen das Licht der Sonne zerstreuen, um einen Regenbogen zu erzeugen. Es lieferte die dritte Dimension und enthüllte die Bewegung des Sterns mit einer bisher nicht erreichten Präzision.

"Das Besondere an S0-2 ist, dass wir seine komplette Umlaufbahn in drei Dimensionen haben", sagte sie. „Das gibt uns die Eintrittskarte zu den Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie.

„Wir haben gefragt, wie sich die Schwerkraft in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs verhält und ob uns Einsteins Theorie die ganze Geschichte erzählt. Zu sehen, wie Sterne ihre komplette Umlaufbahn durchlaufen, bietet die erste Möglichkeit, die grundlegende Physik anhand der Bewegungen dieser Sterne zu testen."

Sie sagte, dass in Newtons Version der Gravitation Raum und Zeit getrennt sind und sich nicht vermischen, aber unter Einstein sind sie in der Nähe eines Schwarzen Lochs vollständig vermischt.

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