Bằng cách phân tích lực hấp dẫn của một lỗ đen khổng lồ nằm ở trung tâm Dải Ngân hà lên một ngôi sao gần đó, các nhà thiên văn học đã cho thấy lý thuyết về không gian và thời gian, mô tả lực hấp dẫn của Einstein vẫn chính xác.
Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lực hấp dẫn bắt nguồn từ sự uốn cong của không gian và thời gian. Khối lượng vật thể càng lớn thì lực hấp dẫn càng mạnh.
Các nhà khoa học kiểm chứng phần lớn thuyết tương đối rộng trong các trường hấp dẫn yếu chẳng hạn như Trái Đất hay Hệ Mặt Trời.
Ảnh mô phỏng ngôi sao S0-2 khi đi qua siêu lỗ đen nằm ở trung tâm Dải Ngân hà. Khi tiến gần đến siêu lỗ đen, ngôi sao có hiện tượng dịch chuyển đỏ phù hợp với thuyết tương đối của Einstein. (Ảnh: National Science Foundation).
Trong các trường hấp dẫn mạnh hơn như siêu lỗ đen (được cho là nằm trong tâm hầu hết thiên hà lớn), các nhà nghiên cứu nhận thấy sự tham gia của thuyết tương đối rộng có thể đưa ra lý thuyết mới giúp giải thích những bí ẩn của vũ trụ như vật chất tối, năng lượng tối.
"Einstein vẫn đúng, ít nhất là đến lúc này", Andrea Ghez, giáo sư thiên văn học tại Đại học California Los Angeles và đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.
"Những quan sát của chúng tôi đều tương đồng với thuyết tương đối rộng của Einstein. Tuy nhiên, thuyết của ông vẫn có nhược điểm. Nó chưa thể giải thích hoàn toàn lực hấp dẫn trong một lỗ đen. Đến lúc nào đó, chúng ta phải tìm ra một thuyết mới về lực hấp dẫn để giải thích rõ hơn lỗ đen là gì", Ghez chia sẻ.
Trong quá trình nghiên cứu, các nhà thiên văn học chọn lỗ đen siêu lớn tên là Sagittarius A* (gọi tắt là Sgr A*), nằm tại trung tâm Dải Ngân hà, nặng hơn Mặt Trời 4 triệu lần với đường kính khoảng 23,6 triệu km.
Các nhà khoa học theo dõi sao S0-2 từ năm 2018, thời điểm nó nằm gần Sagittarius A* nhất trong quỹ đạo 16 năm ánh sáng. Khoảng cách gần nhất từ ngôi sao đến lỗ đen là 120 đơn vị thiên văn (AU) - một AU tương đương khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời (khoảng 150 triệu km).
Sử dụng Đài thiên văn Keck, Đài thiên văn Gemini và Kính viễn vọng Subaru ở Hawaii, các nhà thiên văn học đã theo dõi quỹ đạo hoàn chỉnh của S0-2 trong không gian 3 chiều, kết hợp chúng với các phép đo đạc trong 24 năm.
Các nhà nghiên cứu kiểm tra một dự đoán của thuyết tương đối rộng gọi là "dịch chuyển đỏ do hấp dẫn" (gravitational redshift) - sự dịch chuyển màu của quang phổ ánh sáng theo xu hướng đỏ hơn dưới tác dụng của lực hấp dẫn.
Kết quả cho thấy quang phổ ánh sáng từ sao S0-2 dịch chuyển sang đỏ khi đi qua lực hấp dẫn từ lỗ đen Sagittarius A*, phù hợp với thuyết tương đối.
Quỹ đạo các ngôi sao xung quanh siêu lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà. Vòng tròn màu vàng là quỹ đạo của sao S0-2, ngôi sao đầu tiên có đầy đủ thông tin để kiểm tra thuyết tương đối rộng của Einstein xung quanh một siêu lỗ đen. (Ảnh: UCLA Galactic Center Group).
"Những thí nghiệm này mở ra cánh cửa cho khả năng kiểm tra bản chất lực hấp dẫn bằng cách tận dụng quỹ đạo các ngôi sao xung quanh những siêu lỗ đen nằm ở trung tâm Thiên hà. Khả năng này từng được đề cập từ lâu trong lý thuyết, nhưng cuối cùng chúng ta làm được nó", Tuan Do, nhà vật lý-thiên văn học Đại học California Los Angeles, chia sẻ.
Nghiên cứu trên sao S0-2 là nghiên cứu đầu tiên trong nhiều nghiên cứu về thuyết tương đối dự tính thực hiện trên các ngôi sao gần siêu lỗ đen Sagittarius A*. Một trong những ngôi sao khác cũng nằm trong kế hoạch thí nghiệm là S0-102 với quỹ đạo ngắn nhất trong số gần 3.000 ngôi sao nằm gần lỗ đen siêu lớn, tương đương 11,5 năm.