Χρησιμοποιώντας το όργανο MUSE στο Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) της ESO στην Χιλή, μια ομάδα αστροφυσικών, με επικεφαλής τον Thomas Collett από το Πανεπιστήμιο του Πόρτσμουθ, υπολόγισε για πρώτη φορά τη μάζα του ESO 325-G004 (ένας γιγάντιος ελλειπτικός γαλαξίας που βρίσκεται στον αστερισμό του Κενταύρου, περίπου 465 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά), μετρώντας την κίνηση των άστρων μέσα σε αυτόν τον κοντινό μας γαλαξία. Και από τη μάζα επιβεβαίωσαν τη Γενική Σχετικότητα.
Εικόνα του γειτονικού γαλαξία ESO 325-G004, με δεδομένα από το Hubble και το όργανο MUSE
Το MUSE μέτρησε την ταχύτητα των άστρων στο ESO 325-G004 για να παράγει τον χάρτη διασποράς της ταχύτητας, που επικαλύπτει την εικόνα του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. Η γνώση των ταχυτήτων των άστρων επέτρεψε στους αστρονόμους να υπολογίσουν τη μάζα του γαλαξία. Το ένθετο πάνω στην εικόνα δείχνει τον δακτύλιο Αϊνστάιν που προκύπτει από τη στρέβλωση του φωτός από μια πιο απομακρυσμένη πηγή, ενώ ο γαλαξίας ESO 325-004 παίζει το ρόλο του πιο κοντινού σε μας παρεμβαλλόμενου βαρυτικού φακού.
Με τα δεδομένα από το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο μέτρησαν την ταχύτητα που κινούνται τα αστέρια στον ESO 325-G004, οπότε αυτό τους επέτρεψε να συμπεράνουν πόση μάζα πρέπει να υπάρχει στον γαλαξία για να συγκρατήσει αυτά τα αστέρια σε τροχιά.
Η ομάδα ήταν επίσης σε θέση να μετρήσει και μια άλλη πτυχή της βαρύτητας. Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, παρατηρούν ότι ένας δακτύλιος Αϊνστάιν που προκύπτει από το φως από έναν μακρινό γαλαξία παραμορφώνεται από τον ενδιάμεσο ESO 325-G004, που παίζει το ρόλο του βαρυτικού φακού. Παρατηρώντας το δακτύλιον μέτρησαν οι αστρονόμοι πώς το φως, και επομένως ο χωροχρόνος, παραμορφώνεται από την τεράστια μάζα του γειτονικού μας γαλαξία.
Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ότι τα μεγάλα αντικείμενα παραμορφώνουν τον χωροχρόνο γύρω από αυτά, προκαλώντας την εκτροπή οποιουδήποτε φωτός που περνάει από εκεί κοντά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως βαρυτικός φακός. Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται μόνο στα πολύ ογκώδη αντικείμενα. Μας είναι γνωστοί μερικές εκατοντάδες ισχυροί βαρυτικοί φακοί, αλλά οι περισσότεροι είναι πολύ απομακρυσμένοι για να μετρήσουμε με ακρίβεια τη μάζα τους. Ωστόσο, ο γαλαξίας ESO 325-G004 είναι ένας από τους κοντινότερους φακούς, μόλις 450 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη.
Ο Collett εξηγεί: “Γνωρίζουμε τη μάζα του γαλαξία από τα νέα στοιχεία από το όργανο MUSE και μετρήσαμε έτσι το μέγεθος των βαρυτικών φακών που βλέπουμε από το Hubble. Στη συνέχεια συγκρίναμε αυτούς τους δύο τρόπους για να μετρήσουμε τη δύναμη της βαρύτητας – και το αποτέλεσμα ήταν ακριβώς αυτό που προβλέπει η γενική σχετικότητα, με μια αβεβαιότητα μόλις 9%. Το αποτέλεσμα αυτό είναι το πιο ακριβές τεστ γενικής σχετικότητας εκτός του Γαλαξία μέχρι σήμερα και αυτό έγινε χρησιμοποιώντας μόνο ένα γαλαξία!
Η γενική σχετικότητα έχει δοκιμαστεί με εξαιρετική ακρίβεια στις κλίμακες του Ηλιακού Συστήματος, ενώ οι κινήσεις των αστεριών γύρω από τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία μας βρίσκονται υπό λεπτομερή μελέτη, αλλά μέχρι τώρα δεν υπήρχαν ακριβείς δοκιμές σε μεγαλύτερες αστρονομικές κλίμακες. Η δοκιμή των ιδιοτήτων της βαρύτητας μεγάλης εμβέλειας είναι ζωτικής σημασίας για την επικύρωση του σημερινού μας κοσμολογικού μοντέλου.
Αυτά τα ευρήματα μπορεί να έχουν σημαντικές συνέπειες για κάποια εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας στη γενική σχετικότητα, τα οποία έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσουν την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Αυτές οι εναλλακτικές θεωρίες προβλέπουν ότι οι επιδράσεις της βαρύτητας στην καμπυλότητα του χωροχρόνου εξαρτώνται από την κλίμακα των αποστάσεων. Αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα πρέπει να συμπεριφέρεται με διαφορετικό τρόπο σε μεγάλες αστρονομικές κλίμακες, από τον τρόπο που συμπεριφέρεται στις μικρότερες κλίμακες του Ηλιακού Συστήματος. Ο Collett και η ομάδα του διαπίστωσαν ότι αυτή η τελευταία θεωρία είναι απίθανο να είναι αληθινή, εκτός αν οι διαφορές αυτές εμφανίζονται μόνο σε κλίμακες μήκους μεγαλύτερες από 6.000 έτη φωτός.
“Το Σύμπαν είναι ένας καταπληκτικός τόπος που μας παρέχει τέτοιους βαρυτικούς φακούς, που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ως εργαστήρια”, προσθέτει το μέλος της ομάδας Bob Nichol, από το Πανεπιστήμιο του Portsmouth. “Είναι πολύ ικανοποιητικό να χρησιμοποιούμε τα καλύτερα τηλεσκόπια στον κόσμο για να μπορέσουμε να αμφισβητήσουμε τον Αϊνστάιν, και στο τέλος να μάθουμε πόσο σωστός ήταν.”
Αυτή η έρευνα παρουσιάστηκε σε μία δημοσίευση με τίτλο “Μια ακριβής εξωγαλακτική δοκιμή της Γενικής Σχετικότητας” στο περιοδικό Science .
