2019-03-29 21:36:02
在超大质量黑洞附近测试爱因斯坦的等效原理

GRAVITY Collaboration是包括马克斯普朗克研究所,LESIA巴黎天文台和欧洲南方天文台在内的几个着名研究所的研究团队,最近测试了爱因斯坦等效原理的一部分,即银河系中心附近的局部位置不变性(LPI)。超大质量黑洞。他们的研究发表在物理评论快报(PRL)上,研究了不同原子跃迁对引力势的依赖性,以便给出LPI违规的上限。

“广义相对论和一般所有度量引力理论都是基于惯性质量和引力质量的等价,在爱因斯坦等价原理中形成,”开展这项研究的研究人员之一Maryam Habibi告诉Phys.org。 “广义相对论是我们拥有的最好的引力理论,然而,仍有许多未解决的难题与我们对引力的不完全理解密切相关。”

等效原理是爱因斯坦广义相对论的一个关键部分,它指出在时空的任何小区域中经历的引力与观察者在加速参考系中经历的伪力相同。测试这一原则至关重要,因为它可能会引起有趣的观察,并扩大我们目前对引力的理解。

“爱因斯坦的等价原则包含三个主要原则,”哈比比解释说。 “其中之一,称为局部位置不变性(LPI),指出非重力测量应该独立于进行它们的时空中的位置(以引力势为特征)。我们研究的主要部分侧重于测试LPI原则。“

过去的观测表明,大多数(如果不是全部)大质量星系都包含一个超大质量黑洞,通常位于星系的中心。银河系中心超大质量黑洞的质量是太阳的400万倍。因此,它在星系中产生最强的引力场,使其成为寻找未探索现象和测试广义相对论原理的理想场所。

星星S2是银河系最中心区域中最亮的恒星之一,它与银河系中心超大质量黑洞的距离最近,距离为16.3小时。换句话说,这颗恒星需要16年才能完成围绕黑洞的完整轨道,这在天文时间尺度上非常短。 S2移入和移出黑洞的引力场,因此GRAVITY协作团队决定用它来测试爱因斯坦等效原理的一部分。

“正如预测的那样,我们在2018年6月发表的一项研究中表明,在最接近星球S2到黑洞的过程中,我们在恒星的光线下观察到了'引力红移',”哈比比解释道。 “引力红移的发生是因为恒星表面的强烈重力减缓了光波的振动,使它们拉伸并使恒星看起来比地球上的正常更红。”

为了测试爱因斯坦的LPI原理,研究人员在S2的恒星大气中使用了两种不同类型的原子:氢原子和氦原子。 LPI原理指出,在强大的引力场中飞出的恒星中看到的引力红移仅取决于引力势,并且不依赖于其他参数,例如原子的内部结构。

“我们测量了这些原子在不同电位下的光频变化,”哈比比说。 “通过分别使用氢和氦光谱线拟合S2光谱的视线速度来测量光波的振动。通过测量两个原子的频率变化的差异,我们能够给出上限。在震中通道期间LPI违规。如果有明显违反LPI的情况,我们应该测量来自氦和氢线的非常不同的光波振动。

等价原则和广义相对论仅仅是理论,因此需要对它们进行检验以确定它们的有效性。到目前为止,大多数研究人员已经在地球和太阳系中进行了测试。

然而,这些理论也应该在极端情况下进行测试,因为这可以确定它们是否仍然存在并导致更确凿的证据。这些测试可以排除一些原则,这些原则可以塑造我们目前对引力的理解,或者从广义相对论中识别违规行为。

“在所有不同的制度中测试等效原则很重要,因为几种替代的引力理论可以预测在极端条件下它会受到违反,”参与该研究的另一位研究员Felix Widmann告诉Phys.org。 “对我而言,我们研究中最有意义的发现是,我们能够在最极端的情况下测试等效原理:接近超过2万光年远的超大质量黑洞。我们对违规的限制不是虽然非常严格,但它们处于一种以前完全没有经过考验的重力制度中。“

Habibi,Widmann和他们的同事是最早测试银河系中央超大质量黑洞附近等效原理的人之一。他们的工作为广义相对论的有效性提供了有价值的见解,尤其是LPI原理。

“过去的一年在GRAVITY合作中非常成功,”Widmann说。 “我们第一次观察到超大质量黑洞周围恒星轨道的相对论效应,并利用这颗恒星来测试等效原理。我们还观察到非常接近黑洞的物质轨道,这是另一个不可能的观测没有重力。然而,这对我们来说更像是一个开始而不是结束。“

随着即将到来的银河系中心观测的最佳季节,GRAVITY合作的研究人员将继续将他们的望远镜指向S2和银河系中心超大质量黑洞。根据Widmann的说法,该团队可能很快就能够在S2的轨道上发现更微妙的相对论效应,这将使他们能够再次测试广义相对论。在他们未来的观察中,研究人员还希望他们能够在黑洞周围看到更多的耀斑活动,因为这将有助于进一步研究,旨在扩大他们对银河系中心黑洞和黑洞的理解。

“对于未来的望远镜,如极大望远镜,其镜面直径为39米,我们将能够进行类似的实验,并寻找可能违反LPI的100万倍的影响,与今天的可能性相比,”威德曼补充道。 “这将使我们能够测试爱因斯坦等效原理的另一部分,称为弱等效原理,其中指出自由落体中的物体在物理上等同于在没有重力的情况下以相同的力量加速的物体。银河系中心是一个独特的天文台,我们希望尽可能多地了解GRAVITY和未来的望远镜。“

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