“Einstein har ret, i hvert fald indtil videre”, siger Ghez, en af hovedforfatterne bag forskningen. “Vi kan absolut udelukke Newtons tyngdelov. Vores observationer er i overensstemmelse med Einsteins generelle relativitetsteori. Men hans teori viser bestemt sårbarhed. Den kan ikke fuldt ud forklare tyngdekraften inde i et sort hul, og på et tidspunkt bliver vi nødt til at bevæge os ud over Einsteins teori til en mere omfattende teori om tyngdekraften, der forklarer, hvad et sort hul er.”
Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915 hævder, at det, vi opfatter som tyngdekraften, stammer fra krumningen af rum og tid. Forskeren foreslog, at objekter som solen og jorden ændrer denne geometri. Einsteins teori er den bedste beskrivelse af, hvordan tyngdekraften fungerer, siger Ghez, hvis UCLA-ledede hold af astronomer har foretaget direkte målinger af fænomenet i nærheden af et supermassivt sort hul – forskning, som Ghez beskriver som “ekstrem astrofysik”.”
Fysikkens love, herunder tyngdekraften, bør være gyldige overalt i universet, sagde Ghez, som tilføjede, at hendes forskerhold er en af kun to grupper i verden, der har set en stjerne kendt som S0-2 foretage en komplet kredsløb i tre dimensioner omkring det supermassive sorte hul i Mælkevejens centrum. Den fulde omløbsbane tager 16 år, og det sorte hul har en masse på omkring fire millioner gange solens.
Forskerne siger, at deres arbejde er den mest detaljerede undersøgelse nogensinde af det supermassive sorte hul og Einsteins generelle relativitetsteori.
Den vigtigste data i forskningen var de spektrer, som Ghez’ hold analyserede i april, maj og september i år, da hendes “yndlingsstjerne” nærmede sig det enorme sorte hul mest muligt. Spektre, som Ghez beskrev som “regnbuen af lys” fra stjerner, viser lysets intensitet og giver vigtig information om den stjerne, som lyset kommer fra. Spektre viser også stjernens sammensætning. Disse data blev kombineret med målinger, som Ghez og hendes hold har foretaget i løbet af de sidste 24 år.
Spektrene — indsamlet på W.M. Keck Observatory på Hawaii ved hjælp af en spektrograf bygget på UCLA af et hold ledet af kollegaen James Larkin — giver den tredje dimension og afslører stjernens bevægelse på et præcisionsniveau, som ikke tidligere er opnået. (Billeder af stjernen, som forskerne har taget på Keck-observatoriet, giver de to andre dimensioner). Larkins instrument tager lyset fra en stjerne og spreder det, på samme måde som regndråber spreder lyset fra solen for at skabe en regnbue, sagde Ghez.
“Det specielle ved S0-2 er, at vi har dens komplette bane i tre dimensioner,” sagde Ghez, som er indehaver af Lauren B. Leichtman og Arthur E. Levine Chair in Astrophysics. “Det er det, der giver os adgangsbilletten til testene af den generelle relativitetsteori. Vi spurgte, hvordan tyngdekraften opfører sig i nærheden af et supermassivt sort hul, og om Einsteins teori fortæller os den fulde historie. At se stjerner gennemgå deres komplette kredsløb giver os den første mulighed for at teste den grundlæggende fysik ved hjælp af disse stjerners bevægelser.”
Ghez’ forskerhold kunne se sammenblandingen af rum og tid nær det supermassive sorte hul. “I Newtons version af tyngdekraften er rum og tid adskilt og blandes ikke sammen; med Einstein blandes de fuldstændigt sammen i nærheden af et sort hul,” sagde hun.
“At foretage en måling af så grundlæggende betydning har krævet mange års tålmodig observation, som er muliggjort af den nyeste teknologi,” sagde Richard Green, direktør for National Science Foundations afdeling for astronomiske videnskaber. I mere end to årtier har divisionen støttet Ghez sammen med flere af de tekniske elementer, der var afgørende for forskerholdets opdagelse. “Gennem deres strenge indsats har Ghez og hendes samarbejdspartnere produceret en validering af høj betydning af Einsteins idé om stærk tyngdekraft.”
Keck-observatoriets direktør Hilton Lewis kaldte Ghez “en af vores mest passionerede og ihærdige Keck-brugere”. “Hendes seneste banebrydende forskning”, sagde han, “er kulminationen på et urokkeligt engagement gennem de sidste to årtier for at løse mysterierne om det supermassive sorte hul i midten af vores Mælkevejsgalakse.”
Forskerne studerede fotoner – partikler af lys – mens de rejste fra S0-2 til Jorden. S0-2 bevæger sig rundt om det sorte hul med en blæsende hastighed på mere end 16 millioner kilometer i timen ved sin nærmeste nærhed. Einstein havde rapporteret, at fotoner i dette område tæt på det sorte hul skal udføre ekstra arbejde. Deres bølgelængde, når de forlader stjernen, afhænger ikke kun af, hvor hurtigt stjernen bevæger sig, men også af, hvor meget energi fotonerne bruger på at undslippe det sorte hul’s kraftige tyngdekraftfelt. I nærheden af et sort hul er tyngdekraften meget stærkere end på Jorden.
Ghez fik mulighed for at præsentere en del af dataene sidste sommer, men valgte at lade være, så hendes hold kunne analysere dataene grundigt først. “Vi er ved at lære, hvordan tyngdekraften fungerer. Det er en af de fire grundlæggende kræfter, og det er den, vi har testet mindst,” sagde hun. “Der er mange områder, hvor vi bare ikke har spurgt: Hvordan virker tyngdekraften her? Det er let at være overmodig, og der er mange måder at fejlfortolke data på, mange måder, hvorpå små fejl kan akkumuleres til betydelige fejl, hvilket er grunden til, at vi ikke skyndte os med vores analyse.”
Ghez, der i 2008 modtog MacArthur “Genius” Fellowship, studerer mere end 3.000 stjerner, der kredser om det supermassive sorte hul. Hundredvis af dem er unge, sagde hun, i et område, hvor astronomer ikke havde forventet at se dem.
Det tager 26.000 år for fotoner fra S0-2 at nå Jorden. “Vi er så begejstrede, og vi har forberedt os i årevis på at foretage disse målinger,” sagde Ghez, som leder UCLA Galactic Center Group. “For os er det indfølt, det er nu – men det skete faktisk for 26.000 år siden!”
Dette er den første af mange tests af den generelle relativitetsteori, som Ghez’ forskergruppe vil udføre på stjerner i nærheden af det supermassive sorte hul. Blandt de stjerner, der interesserer hende mest, er S0-102, som har den korteste bane, idet det tager 11 1/2 år at gennemføre en fuld bane omkring det sorte hul. De fleste af de stjerner, Ghez studerer, har baner, der er meget længere end et menneskeliv.
Ghez’ hold foretog målinger ca. hver fjerde nat i afgørende perioder i 2018 ved hjælp af Keck-observatoriet – som ligger på toppen af Hawaii’s sovende vulkan Mauna Kea og huser et af verdens største og førende optiske og infrarøde teleskoper. Der foretages også målinger med et optisk-infrarødt teleskop på Gemini Observatory og Subaru Telescope, som også ligger på Hawaii. Hun og hendes hold har brugt disse teleskoper både på stedet på Hawaii og på afstand fra et observationsrum i UCLA’s afdeling for fysik og astronomi.
Sorte huller har en så høj tæthed, at intet kan undslippe deres tyngdekraft, ikke engang lys. (Man kan ikke se dem direkte, men deres indflydelse på nærliggende stjerner er synlig og giver en signatur. Når noget først har krydset et sort hulles “begivenhedshorisont”, vil det ikke kunne undslippe. Stjernen S0-2 er dog stadig ret langt fra begivenhedshorisonten, selv når den er tættest på, så dens fotoner bliver ikke trukket ind i den.)
Ghez’ medforfattere omfatter Tuan Do, hovedforfatter til Science-artiklen, UCLA-forsker og vicedirektør for UCLA Galactic Center Group; Aurelien Hees, tidligere postdoc på UCLA, nu forsker ved Observatoriet i Paris; Mark Morris, professor i fysik og astronomi på UCLA; Eric Becklin, emeritus professor i fysik og astronomi på UCLA; Smadar Naoz, assisterende professor i fysik og astronomi på UCLA; Jessica Lu, en tidligere UCLA-studerende, der nu er assisterende professor i astronomi ved UC Berkeley, UCLA-studerende Devin Chu, Greg Martinez, projektforsker ved UCLA, Shoko Sakai, forsker ved UCLA, Shogo Nishiyama, lektor ved Miyagi University of Education i Japan, og Rainer Schoedel, forsker ved Instituto de Astrofsica de Andalucia i Spanien.
Den nationale videnskabsfond har finansieret Ghez’ forskning i de sidste 25 år. På det seneste er hendes forskning også blevet støttet af W.M. Keck Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation og Heising-Simons Foundation.