”Einstein on oikeassa, ainakin toistaiseksi”, sanoi Ghez, tutkimuksen toinen pääkirjoittaja. ”Voimme ehdottomasti sulkea pois Newtonin painovoimalain. Havaintomme ovat sopusoinnussa Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Hänen teoriansa osoittaa kuitenkin ehdottomasti haavoittuvuutta. Se ei pysty täysin selittämään painovoimaa mustan aukon sisällä, ja jossain vaiheessa meidän on siirryttävä Einsteinin teoriaa pidemmälle, kattavampaan painovoimateoriaan, joka selittää, mitä musta aukko on.”
Einsteinin vuonna 1915 esittämän yleisen suhteellisuusteorian mukaan se, mitä havaitsemme painovoimaksi, syntyy avaruuden ja ajan kaarevuudesta. Tutkija esitti, että auringon ja maapallon kaltaiset kohteet muuttavat tätä geometriaa. Einsteinin teoria on paras kuvaus siitä, miten gravitaatio toimii, sanoi Ghez, jonka UCLA:n johtama tähtitieteilijäryhmä on tehnyt suoria mittauksia ilmiöstä supermassiivisen mustan aukon läheisyydessä – tutkimus, jota Ghez kuvailee ”äärimmäiseksi astrofysiikaksi”.”
Fysiikan lakien, mukaan lukien painovoiman, pitäisi päteä kaikkialla maailmankaikkeudessa”, sanoi Ghez, joka lisäsi, että hänen tutkimusryhmänsä on yksi kahdesta ainoasta ryhmästä maailmassa, jotka ovat seuranneet, kuinka S0-2:ksi kutsuttu tähti tekee täydellisen kiertoradan kolmiulotteisesti Linnunradan keskipisteessä olevan supermassiivisen mustan aukon ympäri. Täydellinen kiertorata kestää 16 vuotta, ja mustan aukon massa on noin neljä miljoonaa kertaa auringon massaa suurempi.
Tutkijat sanovat, että heidän työnsä on yksityiskohtaisin tutkimus, joka on koskaan tehty supermassiivisesta mustasta aukosta ja Einsteinin yleisestä suhteellisuusteoriasta.
Tutkimuksen keskeiset tiedot olivat spektrejä, joita Ghezin työryhmä analysoi tämän vuoden huhti-, touko- ja syyskuun vaihteessa, kun hänen ”suosikkitähtensä” teki lähimmän mahdollisen lähestymisliikkeensä kohti jättimäistä mustaa aukkoa. Spektrit, joita Ghez kuvasi tähtien ”valon sateenkaareksi”, osoittavat valon voimakkuuden ja tarjoavat tärkeää tietoa tähdestä, josta valo kulkee. Spektrit osoittavat myös tähden koostumuksen. Nämä tiedot yhdistettiin mittauksiin, joita Ghez ja hänen ryhmänsä ovat tehneet viimeisten 24 vuoden aikana.
Spektrit – jotka kerättiin W.M. Keckin observatoriossa Havaijilla UCLA:ssa rakennetulla spektrograafilla, jonka kollegansa James Larkinin johtama ryhmä rakensi – tarjoavat kolmannen ulottuvuuden, joka paljastaa tähden liikkeen sellaisella tarkkuudella, jota ei ole aiemmin saavutettu. (Kaksi muuta ulottuvuutta saadaan kuvista, jotka tutkijat ottivat tähdestä Keckin observatoriossa). Larkinin instrumentti ottaa tähden valon ja hajottaa sen samalla tavalla kuin sadepisarat hajottavat auringon valon ja luovat sateenkaaren, Ghez sanoi.
”S0-2:n erikoisuus on se, että meillä on sen täydellinen kiertorata kolmessa ulottuvuudessa”, sanoi Ghez, jolla on Lauren B. Leichtmanin ja Arthur E. Levinen astrofysiikan professuuri. ”Se antaa meille pääsylippumme yleisen suhteellisuusteorian testeihin”. Kysyimme, miten painovoima käyttäytyy supermassiivisen mustan aukon lähellä ja kertooko Einsteinin teoria meille kaiken. Se, että näemme tähtien kulkevan täydellisen kiertoratansa läpi, tarjoaa ensimmäisen mahdollisuuden testata perusfysiikkaa näiden tähtien liikkeiden avulla.”
Ghezin tutkimusryhmä pystyi näkemään avaruuden ja ajan sekoittumisen supermassiivisen mustan aukon lähellä. ”Newtonin painovoimaversiossa avaruus ja aika ovat erillään eivätkä sekoitu keskenään; Einsteinin mukaan ne sekoittuvat täysin mustan aukon lähellä”, hän sanoi.
”Näin perustavanlaatuisen tärkeän mittauksen tekeminen on vaatinut vuosia kärsivällistä havainnointia, jonka on mahdollistanut uusin teknologia”, sanoi Richard Green, National Science Foundationin tähtitieteiden osaston johtaja. Yli kahden vuosikymmenen ajan osasto on tukenut Gheziä sekä useita tutkimusryhmän löydön kannalta kriittisiä teknisiä tekijöitä. ”Tiukoilla ponnisteluillaan Ghez ja hänen yhteistyökumppaninsa ovat tuottaneet erittäin merkittävän vahvistuksen Einsteinin ajatukselle vahvasta gravitaatiosta.”
Keck-observatorion johtaja Hilton Lewis kutsui Gheziä ”yhdeksi intohimoisimmista ja sinnikkäimmistä Keckin käyttäjistämme”. ”Hänen viimeisin uraauurtava tutkimuksensa”, hän sanoi, ”on huipentuma viimeisten kahden vuosikymmenen aikana tehdystä vankkumattomasta sitoutumisesta Linnunratagalaksimme keskellä olevan supermassiivisen mustan aukon mysteerien selvittämiseen.”
Tutkijat tutkivat fotoneja – valohiukkasia – niiden kulkiessa S0-2:sta Maahan. S0-2 liikkuu mustan aukon ympärillä huimalla nopeudella, yli 16 miljoonaa kilometriä tunnissa lähimmillään. Einstein oli raportoinut, että tällä alueella lähellä mustaa aukkoa fotonit joutuvat tekemään ylimääräistä työtä. Niiden aallonpituus tähdestä lähtiessään riippuu paitsi siitä, kuinka nopeasti tähti liikkuu, myös siitä, kuinka paljon energiaa fotonit kuluttavat paetakseen mustan aukon voimakasta gravitaatiokenttää. Mustan aukon lähellä painovoima on paljon voimakkaampi kuin maapallolla.
Ghezille annettiin viime kesänä tilaisuus esitellä osittaisia tietoja, mutta hän päätti olla esittämättä niitä, jotta hänen ryhmänsä voisi ensin analysoida tiedot perusteellisesti. ”Opimme, miten painovoima toimii. Se on yksi neljästä perusvoimasta ja se, jota olemme testanneet vähiten”, hän sanoi. ”On monia alueita, joilla emme vain ole kysyneet, miten painovoima toimii täällä. On helppo olla liian luottavainen, ja on monia tapoja tulkita tietoja väärin, monia tapoja, joilla pienet virheet voivat kasautua merkittäviksi virheiksi, minkä vuoksi emme kiirehtineet analyysiämme.”
Ghez, joka sai vuonna 2008 MacArthurin ”Genius”-stipendin, tutkii yli 3 000 tähteä, jotka kiertävät supermassiivista mustaa aukkoa. Hänen mukaansa sadat niistä ovat nuoria, sellaisella alueella, jossa tähtitieteilijät eivät odottaneet niitä näkevänsä.
S0-2:n fotonien saapuminen Maahan kestää 26 000 vuotta. ”Olemme niin innoissamme, ja olemme valmistautuneet vuosia tekemään näitä mittauksia”, sanoi Ghez, joka johtaa UCLA:n Galaktisen keskuksen ryhmää. ”Meille se on sisäistä, se on nyt – mutta se todella tapahtui 26 000 vuotta sitten!”
Tämä on ensimmäinen monista yleisen suhteellisuusteorian testeistä, joita Ghezin tutkimusryhmä tekee tähdillä supermassiivisen mustan aukon lähellä. Häntä eniten kiinnostavien tähtien joukossa on S0-102, jolla on lyhin kiertorata, sillä se tarvitsee 11 ja puoli vuotta kiertääkseen täyden kierroksen mustan aukon ympäri. Useimpien Ghezin tutkimien tähtien kiertoradat ovat paljon pidempiä kuin ihmisen elinikä.
Ghezin ryhmä teki mittauksia noin joka neljäs yö ratkaisevina ajanjaksoina vuonna 2018 käyttäen Keck-observatoriota – joka sijaitsee Havaijin uinuvan Mauna Kea -tulivuoren huipulla ja jossa on yksi maailman suurimmista ja parhaista optisista ja infrapunateleskoopeista. Mittauksia tehdään myös optisella infrapunateleskoopilla Gemini-observatoriossa ja Subaru-teleskoopilla, jotka sijaitsevat myös Havaijilla. Hän ja hänen ryhmänsä ovat käyttäneet näitä teleskooppeja sekä paikan päällä Havaijilla että etänä UCLA:n fysiikan ja tähtitieteen laitoksen havaintohuoneesta.
Mustien aukkojen tiheys on niin suuri, että mikään ei voi paeta niiden vetovoimaa, ei edes valo. (Niitä ei voi nähdä suoraan, mutta niiden vaikutus läheisiin tähtiin on näkyvissä ja antaa merkin. Kun jokin ylittää mustan aukon ”tapahtumahorisontin”, se ei pääse pakenemaan. Tähti S0-2 on kuitenkin vielä melko kaukana tapahtumahorisontista, vaikka se lähestyisi sitä lähimmilläänkin, joten sen fotoneja ei vedetä sisään.)
Ghezin yhteistyökumppaneihin kuuluvat Science-julkaisun pääkirjoittaja Tuan Do, UCLA:n tutkija ja UCLA:n galaktisen keskuksen ryhmän varajohtaja, entinen UCLA:n post doc -tutkija Aurelien Hees, joka on nykyään tutkija Pariisin observatoriossa, UCLA:n fysiikan ja tähtitieteen professori Mark Morris, UCLA:n emeritusprofessori Eric Becklin ja UCLA:n apulaisprofessori Smadar Naoz; Jessica Lu, entinen UCLA:n jatko-opiskelija, joka on nyt UC Berkeleyn tähtitieteen apulaisprofessori; UCLA:n jatko-opiskelija Devin Chu; Greg Martinez, UCLA:n projektitutkija; Shoko Sakai, UCLA:n tutkija; Shogo Nishiyama, apulaisprofessori japanilaisesta Miyagin kasvatustieteellisestä korkeakoulusta; ja Rainer Schoedel, tutkija espanjalaisesta Instituto de Astrofsica de Andalucialta.
National Science Foundation on rahoittanut Ghezin tutkimusta viimeiset 25 vuotta. Viime aikoina hänen tutkimuksiaan ovat tukeneet myös W.M. Keck Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation ja Heising-Simons Foundation.