«Einstein tiene razón, al menos por ahora», afirma Ghez, coautor de la investigación. «Podemos descartar absolutamente la ley de la gravedad de Newton. Nuestras observaciones son coherentes con la teoría de la relatividad general de Einstein. Sin embargo, su teoría muestra definitivamente su vulnerabilidad. No puede explicar completamente la gravedad dentro de un agujero negro, y en algún momento tendremos que ir más allá de la teoría de Einstein hacia una teoría de la gravedad más completa que explique lo que es un agujero negro.»
La teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 sostiene que lo que percibimos como la fuerza de la gravedad surge de la curvatura del espacio y del tiempo. El científico propuso que objetos como el Sol y la Tierra modifican esta geometría. La teoría de Einstein es la mejor descripción de cómo funciona la gravedad, dijo Ghez, cuyo equipo de astrónomos dirigido por la UCLA ha realizado mediciones directas del fenómeno cerca de un agujero negro supermasivo, investigación que Ghez describe como «astrofísica extrema».»
Las leyes de la física, incluida la gravedad, deberían ser válidas en todo el universo, dijo Ghez, quien añadió que su equipo de investigación es uno de los dos únicos grupos del mundo que ha observado cómo una estrella conocida como S0-2 realiza una órbita completa en tres dimensiones alrededor del agujero negro supermasivo situado en el centro de la Vía Láctea. La órbita completa dura 16 años, y la masa del agujero negro es aproximadamente cuatro millones de veces la del sol.
Los investigadores dicen que su trabajo es el estudio más detallado jamás realizado sobre el agujero negro supermasivo y la teoría de la relatividad general de Einstein.
Los datos clave de la investigación fueron los espectros que el equipo de Ghez analizó este abril, mayo y septiembre mientras su «estrella favorita» realizaba su mayor aproximación al enorme agujero negro. Los espectros, que Ghez describió como el «arco iris de luz» de las estrellas, muestran la intensidad de la luz y ofrecen información importante sobre la estrella desde la que viaja la luz. Los espectros también muestran la composición de la estrella. Estos datos se combinaron con las mediciones que Ghez y su equipo han realizado a lo largo de los últimos 24 años.
Los espectros -recogidos en el Observatorio W.M. Keck de Hawái mediante un espectrógrafo construido en la UCLA por un equipo dirigido por su colega James Larkin- proporcionan la tercera dimensión, revelando el movimiento de la estrella con un nivel de precisión no alcanzado anteriormente. (Las imágenes de la estrella que los investigadores tomaron en el Observatorio Keck proporcionan las otras dos dimensiones). El instrumento de Larkin toma la luz de una estrella y la dispersa, de forma similar a como las gotas de lluvia dispersan la luz del sol para crear un arco iris, dijo Ghez.
«Lo que es tan especial de S0-2 es que tenemos su órbita completa en tres dimensiones», dijo Ghez, que ocupa la Cátedra Lauren B. Leichtman y Arthur E. Levine de Astrofísica. «Eso es lo que nos da el billete de entrada a las pruebas de la relatividad general. Nos preguntamos cómo se comporta la gravedad cerca de un agujero negro supermasivo y si la teoría de Einstein nos cuenta toda la historia. Ver a las estrellas pasar por su órbita completa nos da la primera oportunidad de probar la física fundamental utilizando los movimientos de estas estrellas»
El equipo de investigación de Ghez pudo ver la mezcla de espacio y tiempo cerca del agujero negro supermasivo. «En la versión de Newton de la gravedad, el espacio y el tiempo están separados y no se mezclan; según Einstein, se mezclan completamente cerca de un agujero negro», dijo.
«Realizar una medición de importancia tan fundamental ha requerido años de observación paciente, facilitada por la tecnología más avanzada», dijo Richard Green, director de la división de ciencias astronómicas de la National Science Foundation. Durante más de dos décadas, la división ha apoyado a Ghez, junto con varios de los elementos técnicos fundamentales para el descubrimiento del equipo de investigación. «A través de sus rigurosos esfuerzos, Ghez y sus colaboradores han producido una validación de gran importancia de la idea de Einstein sobre la gravedad fuerte»
El director del Observatorio Keck, Hilton Lewis, calificó a Ghez como «uno de nuestros usuarios de Keck más apasionados y tenaces». «Su última investigación innovadora», dijo, «es la culminación de un compromiso inquebrantable durante las últimas dos décadas para desvelar los misterios del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra Vía Láctea».
Los investigadores estudiaron los fotones -partículas de luz- mientras viajaban desde S0-2 a la Tierra. S0-2 se desplaza alrededor del agujero negro a velocidades vertiginosas de más de 16 millones de millas por hora en su máxima aproximación. Einstein había informado de que en esta región cercana al agujero negro, los fotones tienen que hacer un trabajo extra. Su longitud de onda al salir de la estrella depende no sólo de la velocidad a la que se mueve la estrella, sino también de la energía que gastan los fotones para escapar del poderoso campo gravitatorio del agujero negro. Cerca de un agujero negro, la gravedad es mucho más fuerte que en la Tierra.
Ghez tuvo la oportunidad de presentar datos parciales el verano pasado, pero decidió no hacerlo para que su equipo pudiera analizar a fondo los datos primero. «Estamos aprendiendo cómo funciona la gravedad. Es una de las cuatro fuerzas fundamentales y la que menos hemos probado», dijo. «Hay muchas regiones en las que no nos hemos preguntado: ¿cómo funciona la gravedad aquí? Es fácil confiarse y hay muchas formas de malinterpretar los datos, muchas formas en las que los pequeños errores pueden acumularse hasta convertirse en errores significativos, por eso no nos precipitamos en nuestro análisis».
Ghez, galardonada en 2008 con la beca MacArthur «Genius», estudia más de 3.000 estrellas que orbitan alrededor del agujero negro supermasivo. Cientos de ellas son jóvenes, dijo, en una región donde los astrónomos no esperaban verlas.
Los fotones de S0-2 tardan 26.000 años en llegar a la Tierra. «Estamos muy emocionados, y nos hemos estado preparando durante años para hacer estas mediciones», dijo Ghez, que dirige el Grupo del Centro Galáctico de la UCLA. «Para nosotros es visceral, es ahora… ¡pero en realidad ocurrió hace 26.000 años!»
Esta es la primera de las muchas pruebas de relatividad general que el equipo de investigación de Ghez realizará en estrellas cercanas al agujero negro supermasivo. Entre las estrellas que más le interesan está S0-102, que tiene la órbita más corta, tardando 11 años y medio en completar una órbita completa alrededor del agujero negro. La mayoría de las estrellas que estudia Ghez tienen órbitas mucho más largas que la vida de un ser humano.
El equipo de Ghez realizó mediciones aproximadamente cada cuatro noches durante períodos cruciales en 2018 utilizando el Observatorio Keck -que se encuentra en la cima del volcán inactivo Mauna Kea de Hawái y alberga uno de los telescopios ópticos e infrarrojos más grandes y principales del mundo. También se realizan mediciones con un telescopio óptico-infrarrojo en el Observatorio Gemini y en el Telescopio Subaru, también en Hawái. Ella y su equipo han utilizado estos telescopios tanto en Hawái como a distancia desde una sala de observación en el departamento de física y astronomía de la UCLA.
Los agujeros negros tienen una densidad tan alta que nada puede escapar a su atracción gravitatoria, ni siquiera la luz. (No pueden verse directamente, pero su influencia sobre las estrellas cercanas es visible y proporciona una firma. Una vez que algo cruza el «horizonte de sucesos» de un agujero negro, no podrá escapar. Sin embargo, la estrella S0-2 está todavía bastante lejos del horizonte de sucesos, incluso en su máxima aproximación, por lo que sus fotones no son atraídos.)
Los coautores de Ghez son Tuan Do, autor principal del artículo de Science, científico investigador de la UCLA y subdirector del Grupo del Centro Galáctico de la UCLA; Aurelien Hees, antiguo becario postdoctoral de la UCLA, ahora investigador en el Observatorio de París; Mark Morris, profesor de física y astronomía de la UCLA; Eric Becklin, profesor emérito de física y astronomía de la UCLA; Smadar Naoz, profesor asistente de física y astronomía de la UCLA; Jessica Lu, una antigua estudiante de posgrado de la UCLA que ahora es profesora asistente de astronomía de la UC Berkeley; Devin Chu, estudiante de posgrado de la UCLA; Greg Martínez, científico del proyecto de la UCLA; Shoko Sakai, científico investigador de la UCLA; Shogo Nishiyama, profesor asociado de la Universidad de Educación de Miyagi de Japón; y Rainer Schoedel, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía de España.
La National Science Foundation ha financiado la investigación de Ghez durante los últimos 25 años. Más recientemente, su investigación también ha sido apoyada por la Fundación W.M. Keck, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Heising-Simons.