アルバート・アインシュタインの裏をかくのはさらに難しくなりました。 100 年以上前、この有名な物理学者は、一般相対性理論 (GR) として知られる重力の説明を発表しました。この説明は、惑星の軌道から星明かりの曲がりまですべてをうまく説明しています。それでもなお、一部の物理学者は、GR では解決できないパズルを解決できる理論を発明しようとしてきました。たとえば、重力が銀河を束縛しているように見える目に見えない暗黒物質の必要性を説明することによってです。しかし、昨年明らかにされたブラックホールの最初の直接画像は、重力の理論に対する厳しい新しいテストを提供しました.失敗すれば、あなたの理論は死んでしまいます。
「これは飛び越えるための新しいフープであり、かなり狭いものです」と、アリゾナ大学の天体物理学者で、新しいテストの考案に協力した Feryal Özel は言います。
1915 年、アインシュタインは、地球のような巨大な物体が空間と時間、または時空をゆがめるために重力が発生するという仮説を立てました。その曲がった時空は、自由落下する物体の経路を湾曲させ、その結果、地球上の砲弾の放物線の弧または月の楕円軌道が生じます。 1930 年代、科学者たちは GR の驚くべき意味を発見しました。十分に大きな星が燃え尽きると、そのコアは極小点まで崩壊し、後には何も残らず、自立した超強力な重力場、いわゆるブラック ホールが残る可能性があります。一定の距離内では、光でさえ逃げることができません。
人類が初めてブラックホールを直視したのは昨年のことです。これは、単一の崩壊した星によって作成されたのではなく、おそらく多くのブラック ホールが合体したときに形成されたものです。 5300万光年離れた銀河の中心に潜んでおり、太陽の650億倍の重さがあります。それを研究するために、180 人を超える天文学者と天体物理学者のチームが、イベント ホライズン テレスコープ (EHT) として知られるプロジェクトで 1 つの大きな望遠鏡として機能するように世界中の電波アンテナを調整しました。
偽色の画像は、真っ黒な点を囲む燃えるようなリングです。この輝きは、ブラック ホールの周りを渦巻く高温のガスから発せられます。中央の点は、ブラック ホールが近づきすぎた光 (前のガスからのものであっても) を捉える際に、ブラック ホールが投じる「影」です。 EHT の科学者は、GR を使用して、ブラック ホールの重力によっても拡大される影がどのくらいの大きさになるかを計算し、その結果が観測と一致することを発見しました。
しかし、別の重力理論が機能している場合に影がどのくらいの大きさになるべきかを簡単に計算する方法がなかったため、この画像を使用して他の重力理論をテストすることはできなかった、とオゼルは説明します。現在、Özel と同僚は、その計算を行うためのかなり簡単な方法を開発しました。彼らは今週 Physical Review Letters で報告します。 .原則として、アインシュタインの理論を修正または拡張する方法はほぼ無数にあります。たとえば、物質とエネルギーが時空をゆがめる方法を正確に変更することです。ただし、ブラック ホールを説明するために使用される場合、すべての理論は最終的にメトリックを生成する必要があります。これは、ブラック ホールの近くで歪んだ時空の形状をエンコードする数式です。
そのメトリックは、より小さな数学的用語の合計として近似形式で記述できます。最初の項はよく知られており、GR の予測を示します。私たち自身の太陽系での実験は、技術的には最初の「ポストニュートン」補正として知られている次の項がゼロに非常に近いことを示しています。今回、Özel と同僚は、ブラック ホールを説明する数学を正しい方法で書き出すと、影のサイズが次のポスト ニュートン補正によって決定されることを示しました。したがって、重力の新しい理論をテストするために、理論家はその 2 番目のポストニュートンパラメータの予測値を計算するだけでよい、と Özel は言います。値が特定の範囲外にあり、測定された影のサイズと矛盾する場合、理論は外れています。ブラック ホールの影を使用して、チームはパラメータの可能な範囲を 500 分の 1 に狭めました。
モナッシュ大学クレイトン校の理論天体物理学者である Ilya Mandel は、単一のパラメーターが影のサイズを制御していることは驚くべきことだと述べています。 「影のサイズを決定する 23 のパラメーターの組み合わせがあり、それらを引き離すのは非常に難しいと思っていたかもしれません」と彼は言います。
しかし、テストの有用性は限られている可能性があるとジョンズ・ホプキンス大学の重力理論学者である Emanuele Berti は述べています。 「GR とは十分に異なる代替案をテストすると同時に、重力についてすでに知られている何百万もの知識と互換性がある代替案を考え出すことは非常に困難です」と彼は言います。
より有望なのは、この特定のパラメーターの測定値を、重力に関する別の新しい情報源から引き出すことができる測定値と比較することです。それは、時空の波紋または重力波を介して垣間見える小さなブラック ホールの合体です。 「重力のテストを行っている人は誰でも、この比較を行うために、[ポストニュートンパラメータの] 同じ言語でそれを表現しようとしています」と、高等研究所の天体物理学者であり、紙。これらの尺度が異なる場合、GR は重力に関する最終的な言葉ではない可能性があります。
*訂正、10 月 2 日午後 4 時 5 分: この物語の以前のバージョンでは、Lia Medeiros の名前のつづりが間違っていました。
