Många alternativa teorier om gravitation har drömts fram i badet, medan de väntar på en buss – eller kanske över en lätt dryck eller två. Nuförtiden är det möjligt att avslöja (eller på annat sätt) din egen husdjursteori genom att på papper förutsäga vad som ska hända med ett föremål som kretsar nära ett svart hål - och sedan testa dessa förutsägelser mot observationer av S2 och kanske andra stjärnor som kretsar nära vår galaxs centrala supermassiva svarta hål – tros vara belägna vid radiokällan Skytten A* .
S2, en ljusstark stjärna i spektralklass B, har observerats noggrant sedan 1995, under vilken tid den har fullbordat över en omloppsbana av det svarta hålet, med tanke på att dess omloppsperiod är mindre än 16 år. S2:s omloppsdynamik kan förväntas skilja sig från vad som skulle förutsägas av Keplers 3rdlag och Newtons tyngdlag, med en mängd som är tre storleksordningar större än den anomala mängd som ses i Merkurius omloppsbana. I både Mercurys och S2:s fall förutsägs dessa uppenbarligen onormala effekter av Einsteins allmänna relativitetsteori, som ett resultat av krökningen av rumtiden som orsakas av ett närliggande massivt objekt - Solen i Merkurius fall och det svarta hålet i S2:s fall.
S2 färdas med en omloppshastighet på cirka 5 000 kilometer per sekund – vilket är nästan 2 % av ljusets hastighet. Vid periapsis (närmast punkt) av sin omloppsbana, tros den komma inom 5 miljarder kilometer från Schwarzschilds radie från det supermassiva svarta hålet, vilket är gränsen bortom vilken ljus inte längre kan fly – och en punkt som vi löst kan betrakta som som ytan av det svarta hålet. Det supermassiva svarta hålets Schwarzschild-radie är ungefär avståndet från solen till Merkurius omloppsbana – och vid periapsis är S2 ungefär lika långt från det svarta hålet som Pluto är från solen.
Det supermassiva svarta hålet beräknas ha en massa på ungefär fyra miljoner solmassor, vilket betyder att det kan ha ätit på flera miljoner stjärnor sedan det bildades i det tidiga universum – och betyder att S2 bara lyckas hålla fast vid tillvaron i kraft av sin fantastiska omloppshastighet – som gör att den faller runt, snarare än att falla in i, det svarta hålet. Som jämförelse förblir Pluto i omloppsbana runt solen genom att hålla en lugn omloppshastighet på nästan 5 kilometer per sekund.
Vissa astrometrier av S2:s bana runt det supermassiva svarta hålet Sagittarius A* i mitten av Vintergatan. Kredit: Schödel et al (2002), publicerad i Nature.
Den detaljerade datamängden för S2:s astrometriska position (höger uppstigning och deklination) förändras över tiden - och därifrån, dess radiella hastighet beräknad vid olika punkter längs dess omloppsbana - ger en möjlighet att testa teoretiska förutsägelser mot observationer.
Till exempel, med dessa data är det möjligt att spåra olika icke-keplerska och icke-newtonska särdrag i S2:s omloppsbana inklusive:
– effekterna av allmän relativitet (från en extern referensram, klockor långsammare och längder drar ihop sig i starkare gravitationsfält). Det här är egenskaper som förväntas från att kretsa runt en klassiker Schwarzschild svart hål ;
– kvadrapolmassmomentet (ett sätt att redogöra för det faktum att en himlakropps gravitationsfält kanske inte är helt sfäriskt på grund av dess rotation). Dessa är ytterligare funktioner som förväntas från omloppsbana ett Kerr svart hål – d.v.s. ett svart hål med spinn; och
– mörk materia (konventionell fysik tyder på att galaxen bör flyga isär med tanke på hastigheten den roterar med – vilket leder till slutsatsen att det finns mer massa närvarande än vad ögat ser).
Men hallå, det är bara ett sätt att tolka data. Om du vill testa några alternativa teorier – som, säg Oceanic String Space Theory – ja, här är din chans.
Vidare läsning:Iorio, L. (2010) Långsiktiga klassiska och generella relativistiska effekter på de radiella hastigheterna hos stjärnorna som kretsar kring Sgr A* .