アインシュタインの一般相対性理論は疑問視されているがまだ「今のところ」立っている

アインシュタインの一般相対性理論は疑問視されているがまだ「今のところ」立っている
2019年7月25日投稿

銀河系中心の超巨大ブラックホールを通り過ぎるときの、星S0-2の芸術家の視覚化。クレジット：国立科学財団Nicolle R. Fuller
超大質量ブラックホール近くの星の軌道の詳細なUCLA主導の解析は重力がどのように振る舞うかを調べる
ハワイ州マウナケア - アルバートアインシュタインが彼の象徴的な一般相対性理論を発表してから100年以上が経ち、それは端を争い始めている、とUrea物理学と天文学のAndrea Ghezは述べています。さて、私たちの銀河の中心にある巨大なブラックホールの近くの一般相対性理論の最も包括的なテストで、Ghezと彼女の研究チームはアインシュタインの一般相対性理論の理論が成り立つジャーナルScienceで7月25日を報告します。
「少なくとも、現時点ではアインシュタインの権利です」と、この研究の共同主催者であるGhezは述べています。「ニュートンの重力の法則は絶対に除外できます。我々の観察はアインシュタインの一般相対性理論と一致している。しかし、彼の理論は間違いなく脆弱性を示しています。ブラックホール内部の重力を完全に説明することはできません。そして、ある時点で、アインシュタインの理論からブラックホールとは何かを説明するより包括的な重力理論へと移行する必要があるでしょう。」
アインシュタインの1915年の一般相対性理論は、我々が重力として捉えるものは空間と時間の曲率から生じると考えている。科学者は、太陽や地球などの物体がこの幾何学を変えることを提案しました。UCLAが主導する天文学者のチームが超巨大ブラックホール付近の現象を直接測定したGhezは、アインシュタインの理論が重力がどのように機能するかについての最良の説明であると述べた。
ブラックホール近傍でのアインシュタインの相対性理論の検証

重力を含む物理学の法則は宇宙の至る所で有効であるべきだ、とGhezは言った、彼女の研究チームはS0-2として知られる星が三次元で完全な軌道を作るのを見るために世界でただ2つのグループのうちの1つです天の川中央の超大質量ブラックホール周辺。全周は16年かかり、ブラックホールの質量は太陽の約400万倍です。
研究者達の研究は、超大質量ブラックホールとアインシュタインの一般相対性理論に対して行われた最も詳細な研究であると述べている。
この研究の重要なデータは、4月、5月、9月にGhezのチームが分析したスペクトルで、彼女の「お気に入りの星」が巨大なブラックホールに最も近いアプローチをしたものです。Ghezが星からの「光の虹」と描写したスペクトルは、光の強度を示しており、そこから光が進む星についての重要な情報を提供しています。スペクトルも星の組成を示しています。これらのデータは、Ghezと彼女のチームが過去24年間に行った測定と組み合わされました。
同僚のJames Larkinが率いるチームによってUCLAで構築されたスペクトログラフを使用してハワイのWM Keck天文台で収集されたスペクトル - これまでに達成されなかったレベルの精度で星の動きを明らかにする（研究者が撮った星の画像）ケック天文台では2つの他の次元を提供します。レーキンの器具は星から光を受け取り、それを分散させます。雨滴が太陽からの光を分散させて虹を作るのと同じように、Ghezは言います。
ローレン・B・ライヒトマンとアーサー・E・レバインの天文物理学の議長を務めるゲズ氏は、次のように述べています。「それが、私たちに一般相対性理論のテストへの入場券を与えるものです。私たちは、超大質量ブラックホールの近くで重力がどのように振る舞うのか、そしてアインシュタインの理論が私たちに全文を伝えているのかどうかを尋ねました。星がそれらの完全な軌道を通過するのを見ることは、これらの星の運動を使って基本的な物理学をテストする最初の機会を提供します。」
どのように星の軌道がブラックホールを見るのを助けるか

Ghezの研究チームは、超大質量ブラックホールの近くで空間と時間の混在を見ることができました。ニュートンのバージョンの重力では、空間と時間は別々であり、混じり合いません。アインシュタインの下で、彼らはブラックホールの近くで完全に混ざり合う」と彼女は言った。
国立科学財団の天文科学部門の責任者であるリチャード・グリーン氏は、次のように述べています。この部門は、20年以上にわたり、研究チームの発見に不可欠ないくつかの技術的要素とともに、Ghezをサポートしてきました。「Ghezと彼女の共同研究者たちは、彼らの厳しい努力によって、アインシュタインの強い重力についての考えの有意義な検証を生み出しました」
Keck天文台所長のHilton Lewisは、Ghezを「私たちの最も熱心で粘り強いKeckユーザーの1人」と呼んでいます。私たちの天の川銀河の中心に」
研究者たちは、光子（S0-2から地球への移動時）を研究しました。S0-2は最も近いアプローチで時速1600万マイル以上の水ぶくれ速度でブラックホールの周りを動きます。アインシュタインは、ブラックホールに近いこの地域では、光子が余分な仕事をしなければならないと報告しました。それらが星を離れるときのそれらの波長は、星がどれだけ速く動いているかだけでなく、光子がブラックホールの強力な重力場から逃げるためにどれだけのエネルギーを費やすかにも依存します。ブラックホールの近くで、重力は地球よりはるかに強いです。
Ghezは昨年の夏に部分的なデータを提示する機会を与えられたが、彼女のチームが最初にデータを徹底的に分析できるようにしないことを選んだ。重力がどのように機能するかを学んでいます。それは4つの基本的な力のうちの1つであり、私たちが最もテストしていないものです」と彼女は言った。「今まで聞いたことのない地域はたくさんあります。重力はここでどのように機能するのでしょうか。過信しやすいし、データを誤って解釈する方法はたくさんありますが、小さなエラーが重大なミスになる可能性があるため、分析を急がなかったのです。」


天の川中央の超大質量ブラックホールに近づき、アインシュタインの一般相対性理論によって予測される重力赤方偏移を引き起こす、星S0-2の芸術家の視覚化。この赤方偏移を観察することで、アインシュタインの重力理論を検証することができます。クレジット：国立科学財団Nicolle R. Fuller
2008年にマッカーサーの「Genius」フェローシップを受賞したGhezは、超大質量ブラックホールを周回する3,000以上の星を研究しています。彼女は、何百人もの若者が、天文学者が彼らに会うことを期待していなかった地域で、若いと語った。
S0-2からの光子が地球に到達するまでに26,000年かかります。UCLA銀河センターグループを指揮するGhez氏は、次のように述べています 。「私たちにとって、それは内臓的なのです、今です。しかし、それは実際には26,000年前に起こったのです！」
これは、Ghezの研究チームが超大質量ブラックホールの近くの星で行う一般相対性理論の多くのテストの最初のものです。彼女が最も興味を持っている星の中にはS0-102があり、これは最短軌道を持っていて、ブラックホールの周りの完全な軌道を完成するのに11 1/2年かかります。星の大部分Ghezの研究は、人間の寿命よりはるかに長い軌道を持っています。
Ghezのチームは、2018年の重要な時期に、ハワイの休眠中のマウナケア火山の上に位置し、世界で最大かつ最高の光学および赤外線望遠鏡を収容するケック天文台を使用して、4泊ごとに測定を行いました。同じくハワイにあるジェミニ天文台とスバル望遠鏡の光学赤外線望遠鏡を使って測定します。彼女と彼女のチームはこれらの望遠鏡をハワイの現場でそしてUCLAの物理学と天文学の部門の観測室から離れたところで使用しました。
ブラックホールは非常に高い密度を持っているので、光でさえも、重力から逃げることはできません。（それらは直接見ることはできませんが、近くの星への影響は目に見えてサインを提供します。何かがブラックホールの「イベント地平線」を越えると、それは逃げることができないでしょう。しかし、星S0-2はまだ最も近いアプローチであっても、イベントの範囲からかなり遠いので、その光子は引き込まれません。）
Ghezの共著者には、科学論文の主執筆者であるTuan Do、UCLAの研究科学者、そしてUCLA銀河センターグループの副所長が含まれています。元UCLAのポスドク研究者であるAurelien Heesは、現在パリ天文台の研究者です。UCLAの物理学と天文学の教授であるマークモリス。UCLAの物理学と天文学の名誉教授であるEric Becklin。UCLA物理学および天文学の助教授、Smadar Naoz。ジェシカ・ル、元UCLA大学院生。現在はカリフォルニア大学バークレー校の天文学助教授。UCLAの大学院生Devin Chu; UCLAプロジェクト科学者のGreg Martinez。UCLAの研究員である酒井翔子。西山将吾、日本の宮城教育大学の助教授。スペインのアンダルシア工科大学の研究者であるRainer Schoedel氏。
全米科学財団は、過去25年間、Ghezの研究に資金を提供してきました。さらに最近では、彼女の研究はWM Keck財団、Gordon and Betty Moore財団、Heising-Simons財団によっても支持されています。
1998年に、ゲズは天文学の最も重要な質問の1つに答えました。そして、超大質量ブラックホールが私たちの天の川銀河の中心にあることを示すのを助けました。この問題は、4分の1世紀以上もの間、天文学者の間で多くの議論がなされてきました。
Ghezが先駆的に開発した強力な技術は補償光学と呼ばれ、地球の大気の歪曲効果をリアルタイムで補正します。Keck Observatoryの補償光学系で、Ghezと彼女の同僚は、超大質量ブラックホールを取り巻く環境について多くの驚きを明らかにしました。例えば、彼らは、誰も見られないと予想される若い星と、多くが予想される古い星の欠如を発見しました。S0-2が若いのか、それとも若い星のふりをしているのかは不明である、とGhezは述べた。
2000年に、彼女と同僚は、初めて、天文学者が超大質量ブラックホールの周りで星が加速するのを見たことを報告しました。2003年に、Ghezは、天の川のブラックホールの訴訟は大幅に強化されており、提案された代替案はすべて除外できると報告した。
2005年、Ghezとその同僚は、ケック天文台で、ブラックホール周辺を含む天の川の中心の最初のはっきりした写真を撮りました。そして2017年に、Ghezの研究チームは、S0-2が別の星を持っていないことを報告し、別の謎を解決しました。

アダプティブオプティクスについて
WM Keck Observatoryは、地球の大気の乱れによって引き起こされる歪みを取り除く画期的な技術である補償光学（AO）の分野で優れたリーダーです。ケック天文台は、大型望遠鏡での自然ガイドスター（NGS）とレーザーガイドスター適応光学系（LGS AO）の両方の天文学的使用を開拓し、現在のシステムは現在、ハッブル宇宙望遠鏡よりも3倍から4倍鮮明な画像を提供します。ケックAOは私達の天の川銀河の中心にある巨大なブラックホールの質量を測定し、遠い銀河の中で新しい超新星を発見し、そして彼らの先祖である特定の星を特定しました。この技術のサポートは、Bob and Renee Parsons Foundation、Change Happens Foundation、Gordon and Betty Moore Foundationによって寛大に提供されました。山 キューバ天文学財団、NASA、NSF、およびWMケック財団。

WM KECKオブザーバトリーについて
WMケック天文台望遠鏡は地球上で最も科学的に生産的です。ハワイ島のマウナケアの頂上に位置する2つの10メートル光学/赤外線望遠鏡は、イメージャ、マルチオブジェクト分光器、高解像度分光器、インテグラルフィールド分光器、そして世界をリードするレーザーガイドスター型アダプティブオプティクスを含むシステム ここに提示されたデータは、カリフォルニア工科大学、カリフォルニア大学、および国立航空宇宙局の間の科学的パートナーシップとして運営されているWMケック天文台で得られたものです。天文台はWMケック財団の寛大な財政支援によって可能になりました。作家は、マウナケアの首脳会談がハワイ先住民のコミュニティ内で常に果たしてきた非常に重要な文化的役割を認識し認識しています。私達はこの山から観測をする機会があることを最も嬉しく思います。