„Einstein hat Recht, zumindest im Moment“, sagt Ghez, einer der Hauptautoren der Studie. „Wir können das Newtonsche Gravitationsgesetz absolut ausschließen. Unsere Beobachtungen stimmen mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein. Allerdings zeigt seine Theorie durchaus Schwächen. Sie kann die Schwerkraft im Inneren eines Schwarzen Lochs nicht vollständig erklären, und irgendwann müssen wir über Einsteins Theorie hinausgehen und eine umfassendere Theorie der Schwerkraft entwickeln, die erklärt, was ein Schwarzes Loch ist.“
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie von 1915 besagt, dass das, was wir als Schwerkraft wahrnehmen, durch die Krümmung von Raum und Zeit entsteht. Der Wissenschaftler schlug vor, dass Objekte wie die Sonne und die Erde diese Geometrie verändern. Einsteins Theorie ist die beste Beschreibung der Funktionsweise der Schwerkraft, so Ghez, dessen von der UCLA geleitetes Astronomenteam direkte Messungen des Phänomens in der Nähe eines supermassiven schwarzen Lochs vorgenommen hat – eine Forschung, die Ghez als „extreme Astrophysik“ bezeichnet.“
Die Gesetze der Physik, einschließlich der Schwerkraft, sollten überall im Universum gelten, sagte Ghez, die hinzufügte, dass ihr Forschungsteam eine von nur zwei Gruppen weltweit ist, die einen als S0-2 bekannten Stern dabei beobachten, wie er eine vollständige Umlaufbahn in drei Dimensionen um das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße macht. Die vollständige Umkreisung dauert 16 Jahre, und die Masse des Schwarzen Lochs ist etwa vier Millionen Mal so groß wie die der Sonne.
Die Forscher sagen, ihre Arbeit sei die detaillierteste Studie, die jemals über das supermassive Schwarze Loch und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie durchgeführt wurde.
Die Schlüsseldaten für die Forschung waren Spektren, die Ghez‘ Team im April, Mai und September dieses Jahres analysierte, als ihr „Lieblingsstern“ sich dem riesigen Schwarzen Loch am nächsten kam. Spektren, die Ghez als „Regenbogen des Lichts“ von Sternen bezeichnet, zeigen die Intensität des Lichts und liefern wichtige Informationen über den Stern, von dem das Licht ausgeht. Spektren geben auch Aufschluss über die Zusammensetzung des Sterns. Diese Daten wurden mit Messungen kombiniert, die Ghez und ihr Team in den letzten 24 Jahren durchgeführt haben.
Spektren – gesammelt am W.M. Keck Observatory in Hawaii mit einem Spektrographen, der an der UCLA von einem Team unter der Leitung des Kollegen James Larkin gebaut wurde – liefern die dritte Dimension, die die Bewegung des Sterns mit einer bisher nicht erreichten Präzision offenbart. (Bilder des Sterns, die die Forscher am Keck-Observatorium aufgenommen haben, liefern die beiden anderen Dimensionen). Larkins Instrument nimmt das Licht eines Sterns auf und zerstreut es, ähnlich wie Regentropfen das Licht der Sonne zerstreuen, um einen Regenbogen zu erzeugen, sagte Ghez.
„Das Besondere an S0-2 ist, dass wir seine komplette Umlaufbahn in drei Dimensionen haben“, sagte Ghez, der den Lauren B. Leichtman und Arthur E. Levine Lehrstuhl für Astrophysik innehat. „Das gibt uns die Eintrittskarte zu den Tests der allgemeinen Relativitätstheorie. Wir wollten wissen, wie sich die Schwerkraft in der Nähe eines supermassiven schwarzen Lochs verhält und ob Einsteins Theorie uns die ganze Wahrheit sagt. Zu sehen, wie Sterne ihre komplette Umlaufbahn durchlaufen, bietet die erste Gelegenheit, die fundamentale Physik anhand der Bewegungen dieser Sterne zu testen.“
Das Forscherteam von Ghez konnte die Vermischung von Raum und Zeit in der Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs beobachten. „In Newtons Version der Schwerkraft sind Raum und Zeit getrennt und vermischen sich nicht; nach Einstein vermischen sie sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs vollständig“, sagte sie.
„Um eine Messung von solch fundamentaler Bedeutung durchzuführen, waren jahrelange geduldige Beobachtungen erforderlich, die durch modernste Technologie ermöglicht wurden“, sagte Richard Green, Direktor der Abteilung für astronomische Wissenschaften der National Science Foundation. Seit mehr als zwei Jahrzehnten unterstützt die Abteilung Ghez sowie einige der technischen Elemente, die für die Entdeckung des Forscherteams entscheidend waren. „
Keck-Observatoriumsdirektor Hilton Lewis bezeichnete Ghez als „einen unserer leidenschaftlichsten und hartnäckigsten Keck-Nutzer“. „Ihre neuesten bahnbrechenden Forschungen“, sagte er, „sind der Höhepunkt ihres unermüdlichen Einsatzes in den letzten zwei Jahrzehnten, um die Geheimnisse des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße zu entschlüsseln.“
Die Forscher untersuchten Photonen – Lichtteilchen – auf ihrem Weg von S0-2 zur Erde. S0-2 bewegt sich bei seiner größten Annäherung mit einer Geschwindigkeit von mehr als 16 Millionen Meilen pro Stunde um das Schwarze Loch. Einstein hatte berichtet, dass die Photonen in diesem Bereich in der Nähe des Schwarzen Lochs zusätzliche Arbeit verrichten müssen. Ihre Wellenlänge beim Verlassen des Sterns hängt nicht nur davon ab, wie schnell sich der Stern bewegt, sondern auch davon, wie viel Energie die Photonen aufwenden, um dem starken Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs zu entkommen. In der Nähe eines Schwarzen Lochs ist die Schwerkraft viel stärker als auf der Erde.
Ghez hatte im vergangenen Sommer die Möglichkeit, einen Teil der Daten zu präsentieren, entschied sich aber dagegen, damit ihr Team die Daten zunächst gründlich analysieren konnte. „Wir lernen, wie die Schwerkraft funktioniert. Sie ist eine der vier fundamentalen Kräfte und diejenige, die wir am wenigsten getestet haben“, sagte sie. „Es gibt viele Regionen, in denen wir uns noch nicht gefragt haben: Wie funktioniert die Schwerkraft hier? Es ist leicht, übermütig zu sein, und es gibt viele Möglichkeiten, die Daten falsch zu interpretieren, viele Möglichkeiten, wie sich kleine Fehler zu großen Fehlern summieren können, weshalb wir unsere Analyse nicht überstürzt haben.“
Ghez, die 2008 mit dem MacArthur „Genius“-Stipendium ausgezeichnet wurde, untersucht mehr als 3.000 Sterne, die das supermassive Schwarze Loch umkreisen. Hunderte von ihnen sind jung, so Ghez, und befinden sich in einer Region, in der die Astronomen sie nicht erwartet hatten.
Es dauert 26.000 Jahre, bis die Photonen von S0-2 die Erde erreichen. „Wir sind so aufgeregt und haben uns seit Jahren auf diese Messungen vorbereitet“, sagte Ghez, der die UCLA Galactic Center Group leitet. „
Dies ist der erste von vielen Tests der allgemeinen Relativitätstheorie, die das Forschungsteam von Ghez an Sternen in der Nähe des supermassiven schwarzen Lochs durchführen wird. Zu den Sternen, die sie am meisten interessieren, gehört S0-102, der die kürzeste Umlaufbahn hat und 11 1/2 Jahre für eine volle Umrundung des Schwarzen Lochs benötigt. Die meisten der von Ghez untersuchten Sterne haben Umlaufbahnen, die viel länger sind als eine menschliche Lebensspanne.
Ghez‘ Team hat im Jahr 2018 etwa alle vier Nächte während entscheidender Zeiträume Messungen mit dem Keck-Observatorium durchgeführt, das auf dem ruhenden Vulkan Mauna Kea auf Hawaii steht und eines der größten und besten optischen und Infrarot-Teleskope der Welt beherbergt. Messungen werden auch mit einem optischen Infrarot-Teleskop am Gemini-Observatorium und am Subaru-Teleskop, ebenfalls auf Hawaii, durchgeführt. Sie und ihr Team haben diese Teleskope sowohl vor Ort in Hawaii als auch aus der Ferne von einem Beobachtungsraum im Fachbereich Physik und Astronomie der UCLA aus eingesetzt.
Schwarze Löcher haben eine so hohe Dichte, dass nichts ihrer Anziehungskraft entkommen kann, nicht einmal Licht. (Man kann sie nicht direkt sehen, aber ihr Einfluss auf nahe Sterne ist sichtbar und liefert eine Signatur. Sobald etwas den „Ereignishorizont“ eines Schwarzen Lochs durchquert, kann es nicht mehr entkommen. Der Stern S0-2 ist jedoch selbst bei seiner größten Annäherung noch ziemlich weit vom Ereignishorizont entfernt, so dass seine Photonen nicht hineingezogen werden.)
Zu den Co-Autoren von Ghez gehören Tuan Do, Hauptautor des Science-Artikels, ein UCLA-Forscher und stellvertretender Direktor der UCLA Galactic Center Group; Aurelien Hees, ein ehemaliger UCLA-Postdoktorand, der jetzt am Pariser Observatorium forscht; Mark Morris, UCLA-Professor für Physik und Astronomie; Eric Becklin, emeritierter UCLA-Professor für Physik und Astronomie; Smadar Naoz, UCLA-Assistenzprofessor für Physik und Astronomie; Jessica Lu, eine ehemalige UCLA-Absolventin, die jetzt Assistenzprofessorin für Astronomie an der UC Berkeley ist; UCLA-Absolvent Devin Chu; Greg Martinez, UCLA-Projektwissenschaftler; Shoko Sakai, ein UCLA-Forscher; Shogo Nishiyama, außerordentlicher Professor an der japanischen Miyagi University of Education; und Rainer Schoedel, ein Forscher am spanischen Instituto de Astrofsica de Andalucia.
Die National Science Foundation hat die Forschung von Ghez in den letzten 25 Jahren finanziert. In jüngerer Zeit wurde ihre Forschung auch von der W.M. Keck Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation und der Heising-Simons Foundation unterstützt.