„Einstein má pravdu, alespoň prozatím,“ řekl Ghez, spoluautor výzkumu. „Můžeme naprosto vyloučit Newtonův gravitační zákon. Naše pozorování jsou v souladu s Einsteinovou obecnou teorií relativity. Jeho teorie však rozhodně vykazuje zranitelnost. Nedokáže plně vysvětlit gravitaci uvnitř černé díry a v určitém okamžiku budeme muset přejít od Einsteinovy teorie ke komplexnější teorii gravitace, která vysvětlí, co je černá díra zač.“
Einsteinova obecná teorie relativity z roku 1915 tvrdí, že to, co vnímáme jako gravitační sílu, vzniká ze zakřivení prostoru a času. Vědec navrhl, že objekty jako Slunce a Země tuto geometrii mění. Einsteinova teorie je nejlepším popisem fungování gravitace, řekl Ghez, jehož tým astronomů pod vedením UCLA provedl přímá měření tohoto jevu v blízkosti supermasivní černé díry – výzkum Ghez popisuje jako „extrémní astrofyziku“.“
Fyzikální zákony, včetně gravitace, by měly platit všude ve vesmíru, řekla Ghez, která dodala, že její výzkumný tým je jednou ze dvou skupin na světě, které se podařilo sledovat hvězdu známou jako S0-2, jak ve třech rozměrech obíhá kolem supermasivní černé díry v centru Mléčné dráhy. Úplný oběh trvá 16 let a hmotnost černé díry je asi čtyřmilionkrát větší než hmotnost Slunce.
Vědci tvrdí, že jejich práce je nejpodrobnější studií, která kdy byla provedena v oblasti supermasivní černé díry a Einsteinovy obecné teorie relativity.
Klíčovými daty ve výzkumu byla spektra, která Ghezův tým analyzoval letos v dubnu, květnu a září, kdy se její „oblíbená hvězda“ nejvíce přiblížila k obrovské černé díře. Spektra, která Ghez popsala jako „duhu světla“ hvězd, ukazují intenzitu světla a nabízejí důležité informace o hvězdě, od níž světlo putuje. Spektra také ukazují složení hvězdy. Tato data byla zkombinována s měřeními, která Ghez a její tým provedli za posledních 24 let.
Spektra – shromážděná na observatoři W. M. Kecka na Havaji pomocí spektrografu postaveného na Kalifornské univerzitě týmem vedeným kolegou Jamesem Larkinem – poskytují třetí rozměr a odhalují pohyb hvězdy na dosud nedosažené úrovni přesnosti. (Snímky hvězdy, které vědci pořídili na Keckově observatoři, poskytují další dva rozměry.) Larkinův přístroj přijímá světlo z hvězdy a rozptyluje ho podobně, jako dešťové kapky rozptylují světlo ze Slunce a vytvářejí duhu, řekl Ghez.
„Co je na S0-2 tak výjimečné, je to, že máme její kompletní oběžnou dráhu ve třech rozměrech,“ řekl Ghez, který je držitelem Lauren B. Leichtman and Arthur E. Levine Chair in Astrophysics. „To nám dává vstupenku do testů obecné teorie relativity. Ptali jsme se, jak se chová gravitace v blízkosti supermasivní černé díry a zda nám Einsteinova teorie říká vše. Pozorování hvězd, které procházejí svou úplnou oběžnou dráhou, poskytuje první příležitost otestovat základní fyzikální zákony pomocí pohybů těchto hvězd.“
Ghezův výzkumný tým byl schopen pozorovat prolínání prostoru a času v blízkosti supermasivní černé díry. „V Newtonově verzi gravitace jsou prostor a čas oddělené a neprolínají se; podle Einsteina se v blízkosti černé díry zcela prolínají,“ řekla.
„Provedení měření tak zásadního významu vyžadovalo roky trpělivého pozorování, které umožnila nejmodernější technologie,“ řekl Richard Green, ředitel oddělení astronomických věd Národní vědecké nadace. Tato divize již více než dvě desetiletí podporuje Ghez spolu s několika technickými prvky, které jsou pro objev výzkumného týmu rozhodující. „Díky svému důslednému úsilí Ghez a její spolupracovníci vytvořili vysoce významné potvrzení Einsteinovy myšlenky o silné gravitaci.“
Ředitel Keckovy observatoře Hilton Lewis označil Ghez za „jednu z našich nejzapálenějších a nejvytrvalejších uživatelů Keckovy observatoře“. „Její nejnovější průkopnický výzkum,“ řekl, „je vyvrcholením neochvějného odhodlání v posledních dvou desetiletích odhalit tajemství supermasivní černé díry v centru naší galaxie Mléčné dráhy.“
Vědci studovali fotony – částice světla – při jejich cestě ze S0-2 na Zemi. S0-2 se při svém největším přiblížení pohybuje kolem černé díry závratnou rychlostí více než 16 milionů kilometrů za hodinu. Einstein uvedl, že v této oblasti blízko černé díry musí fotony vykonat práci navíc. Jejich vlnová délka při opouštění hvězdy závisí nejen na tom, jak rychle se hvězda pohybuje, ale také na tom, kolik energie fotony vynaloží na únik ze silného gravitačního pole černé díry. V blízkosti černé díry je gravitace mnohem silnější než na Zemi.
Ghez měla možnost prezentovat dílčí data již loni v létě, ale rozhodla se je neprezentovat, aby její tým mohl data nejprve důkladně analyzovat. „Učíme se, jak funguje gravitace. Je to jedna ze čtyř základních sil a ta, kterou jsme testovali nejméně,“ řekla. „Existuje mnoho oblastí, kde jsme se prostě neptali, jak zde gravitace funguje? Je snadné být příliš sebejistý a existuje mnoho způsobů, jak špatně interpretovat data, mnoho způsobů, jak se malé chyby mohou nahromadit do významných omylů, a proto jsme s naší analýzou nespěchali.“
Ghez, držitel MacArthurova „geniálního“ stipendia z roku 2008, studuje více než 3 000 hvězd, které obíhají kolem supermasivní černé díry. Stovky z nich jsou podle ní mladé a nacházejí se v oblasti, kde je astronomové neočekávali.
Trvá 26 000 let, než fotony z S0-2 dorazí na Zemi. „Jsme nadšeni a na tato měření jsme se připravovali několik let,“ řekla Ghez, která vede skupinu UCLA Galactic Center Group. „Pro nás je to niterné, je to teď – ale ve skutečnosti se to stalo před 26 000 lety!“
Jedná se o první z mnoha testů obecné teorie relativity, které Ghezův výzkumný tým provede na hvězdách v blízkosti supermasivní černé díry. Mezi hvězdami, které ji nejvíce zajímají, je S0-102, která má nejkratší oběžnou dráhu – jeden celý oběh kolem černé díry jí trvá 11 a půl roku. Většina hvězd, které Ghez studuje, má oběžné dráhy mnohem delší než lidský život.
Ghezův tým prováděl měření přibližně každé čtyři noci v rozhodujících obdobích roku 2018 pomocí Keckovy observatoře – ta se nachází na vrcholu spící havajské sopky Mauna Kea a je v ní umístěn jeden z největších a nejlepších optických a infračervených dalekohledů na světě. Měření probíhají také pomocí opticko-infračerveného teleskopu na observatoři Gemini a teleskopu Subaru, rovněž na Havaji. Ona a její tým používali tyto teleskopy jak na místě na Havaji, tak na dálku z pozorovací místnosti na katedře fyziky a astronomie UCLA.
Černé díry mají tak vysokou hustotu, že jejich gravitační přitažlivosti nic neunikne, dokonce ani světlo. (Nelze je vidět přímo, ale jejich vliv na blízké hvězdy je viditelný a poskytuje signaturu. Jakmile něco překročí „horizont událostí“ černé díry, nebude schopno uniknout. Hvězda S0-2 je však od horizontu událostí i při svém největším přiblížení stále poměrně daleko, takže její fotony nejsou vtaženy dovnitř.)
Ghezovými spoluautory jsou Tuan Do, hlavní autor článku v časopise Science, vědecký pracovník UCLA a zástupce ředitele UCLA Galactic Center Group; Aurelien Hees, bývalý postdoktorand UCLA, nyní vědecký pracovník Pařížské observatoře; Mark Morris, profesor fyziky a astronomie na UCLA; Eric Becklin, emeritní profesor fyziky a astronomie na UCLA; Smadar Naoz, docent fyziky a astronomie na UCLA; Jessica Lu, bývalá postgraduální studentka UCLA, která je nyní docentkou astronomie na UC Berkeley; postgraduální student UCLA Devin Chu; Greg Martinez, vědecký pracovník projektu UCLA; Shoko Sakai, vědecký pracovník UCLA; Shogo Nishiyama, docent japonské Miyagi University of Education; a Rainer Schoedel, vědecký pracovník španělského Instituto de Astrofsica de Andalucia.
Národní vědecká nadace financovala Ghezův výzkum posledních 25 let. V poslední době její výzkum podpořily také Nadace W. M. Kecka, Nadace Gordona a Betty Mooreových a Heising-Simonsova nadace.