“Einsteinnek igaza van, legalábbis egyelőre” – mondta Ghez, a kutatás egyik vezető szerzője. “Teljesen kizárhatjuk Newton gravitációs törvényét. Megfigyeléseink összhangban vannak Einstein általános relativitáselméletével. Az elmélete azonban határozottan sebezhetőséget mutat. Nem tudja teljesen megmagyarázni a gravitációt egy fekete lyuk belsejében, és egy bizonyos ponton túl kell lépnünk Einstein elméletén egy átfogóbb gravitációs elmélet felé, amely megmagyarázza, hogy mi is a fekete lyuk.”
Einstein 1915-ös általános relativitáselmélete szerint az, amit mi gravitációs erőnek érzékelünk, a tér és az idő görbületéből ered. A tudós azt javasolta, hogy az olyan objektumok, mint a Nap és a Föld megváltoztatják ezt a geometriát. Einstein elmélete a legjobb leírása a gravitáció működésének, mondta Ghez, akinek a UCLA által vezetett csillagászcsoportja közvetlen méréseket végzett a jelenségről egy szupermasszív fekete lyuk közelében – a kutatást Ghez “extrém asztrofizikának” nevezi.”
A fizika törvényeinek, beleértve a gravitációt is, az univerzumban mindenhol érvényesnek kell lenniük” – mondta Ghez, aki hozzátette, hogy kutatócsoportja egyike annak a két csoportnak a világon, amelyik megfigyelte, ahogy az S0-2 nevű csillag három dimenzióban teljes pályát tesz a Tejútrendszer középpontjában lévő szupermasszív fekete lyuk körül. A teljes keringés 16 évig tart, és a fekete lyuk tömege körülbelül négymilliószorosa a Napénak.
A kutatók szerint munkájuk a szupermasszív fekete lyuk és Einstein általános relativitáselméletének eddigi legrészletesebb vizsgálata.
A kutatás legfontosabb adatai azok a színképek voltak, amelyeket Ghez csapata idén áprilisban, májusban és szeptemberben elemzett, amikor “kedvenc csillaga” a legközelebb került a hatalmas fekete lyukhoz. A spektrumok, amelyeket Ghez úgy jellemzett, mint a csillagok “szivárványos fényét”, megmutatják a fény intenzitását, és fontos információkkal szolgálnak arról a csillagról, ahonnan a fény érkezik. A spektrumok a csillag összetételét is megmutatják. Ezeket az adatokat kombinálták azokkal a mérésekkel, amelyeket Ghez és csapata az elmúlt 24 évben végzett.
A spektrumok — amelyeket a hawaii W.M. Keck Obszervatóriumban gyűjtöttek a James Larkin kolléga által vezetett csapat által a UCLA-n épített spektrográffal — a harmadik dimenziót adják, és a csillag mozgását olyan pontossággal tárják fel, amilyenre korábban nem volt példa. (A másik két dimenziót a csillagról a Keck Obszervatóriumban készített felvételek adják). Larkin műszere felveszi a csillag fényét és szétszórja azt, hasonlóan ahhoz, ahogyan az esőcseppek szétszórják a Nap fényét, hogy szivárványt hozzanak létre, mondta Ghez.
“Az S0-2-ben az a különleges, hogy három dimenzióban látjuk a teljes pályáját” – mondta Ghez, aki a Lauren B. Leichtman és Arthur E. Levine asztrofizikai tanszék vezetője. “Ez az, ami belépőjegyet ad nekünk az általános relativitáselmélet tesztjeihez. Azt kérdeztük, hogyan viselkedik a gravitáció egy szupermasszív fekete lyuk közelében, és hogy Einstein elmélete vajon mindent elmond-e nekünk. Azzal, hogy látjuk a csillagokat teljes pályájukon végigmenni, először nyílik lehetőségünk az alapvető fizika tesztelésére e csillagok mozgásának segítségével.”
Ghez kutatócsoportja képes volt látni a tér és az idő egybeolvadását a szupermasszív fekete lyuk közelében. “A gravitáció Newton-féle változatában a tér és az idő különálló, és nem keveredik össze; Einstein szerint a fekete lyuk közelében teljesen összeolvadnak” – mondta.”
“Egy ilyen alapvető fontosságú mérés elvégzése évekig tartó türelmes megfigyelést igényelt, amelyet a legmodernebb technológia tett lehetővé” – mondta Richard Green, a Nemzeti Tudományos Alapítvány csillagászati tudományok osztályának igazgatója. Az osztály több mint két évtizeden keresztül támogatta a Ghez-t, valamint a kutatócsoport felfedezésének számos kritikus technikai elemét. “Szigorú erőfeszítéseik révén Ghez és munkatársai nagy jelentőségű érvényesítést hoztak létre Einstein erős gravitációval kapcsolatos elképzelésének.”
A Keck Obszervatórium igazgatója, Hilton Lewis “az egyik legszenvedélyesebb és legkitartóbb Keck-felhasználónknak” nevezte Ghez-t. “Legújabb úttörő kutatása” – mondta – “az elmúlt két évtizedben tanúsított rendíthetetlen elkötelezettségének csúcspontja, hogy megfejtse a Tejútrendszerünk középpontjában lévő szupermasszív fekete lyuk rejtélyeit.”
A kutatók fotonokat – a fény részecskéit – tanulmányozták, amint azok az S0-2-től a Föld felé tartanak. Az S0-2 a fekete lyuk körül hólyagos sebességgel, több mint 16 millió mérföld/órás sebességgel mozog a legközelebbi megközelítése során. Einstein arról számolt be, hogy ebben a fekete lyukhoz közeli régióban a fotonoknak extra munkát kell végezniük. A csillagot elhagyva hullámhosszuk nemcsak attól függ, hogy a csillag milyen gyorsan mozog, hanem attól is, hogy a fotonok mennyi energiát fordítanak a fekete lyuk erős gravitációs mezejéből való menekülésre. Egy fekete lyuk közelében a gravitáció sokkal erősebb, mint a Földön.”
Ghez tavaly nyáron lehetőséget kapott az adatok részleges bemutatására, de úgy döntött, nem teszi meg, hogy csapata előbb alaposan elemezhesse az adatokat. “Megtanuljuk, hogyan működik a gravitáció. Ez az egyik a négy alapvető erő közül, és az, amelyet a legkevésbé teszteltünk” – mondta. “Sok olyan régió van, ahol egyszerűen nem kérdeztük meg, hogyan működik itt a gravitáció? Könnyű túlságosan magabiztosnak lenni, és sokféleképpen lehet félreértelmezni az adatokat, sokféleképpen lehet a kis hibákat jelentős hibákká halmozni, ezért nem siettük el az elemzésünket.”
Ghez, aki 2008-ban elnyerte a MacArthur “Genius” ösztöndíjat, több mint 3000 csillagot tanulmányoz, amelyek a szupermasszív fekete lyuk körül keringenek. Több száz közülük fiatal, mondta, egy olyan régióban, ahol a csillagászok nem számítottak arra, hogy látni fogják őket.
Az S0-2-ből érkező fotonok 26 000 év alatt érik el a Földet. “Nagyon izgatottak vagyunk, és évek óta készülünk ezekre a mérésekre” – mondta Ghez, aki a UCLA Galaktikus Központ Csoportját vezeti. “Számunkra ez zsigeri, ez most van — de valójában 26 000 évvel ezelőtt történt!”
Ez az első a sok általános relativitáselmélet teszt közül, amelyet Ghez kutatócsoportja a szupermasszív fekete lyuk közelében lévő csillagokon fog elvégezni. Az őt leginkább érdeklő csillagok között van az S0-102, amely a legrövidebb pályával rendelkezik, 11 és fél év alatt tesz meg egy teljes pályát a fekete lyuk körül. A Ghez által vizsgált csillagok többségének pályája jóval hosszabb, mint egy emberi élettartam.
Ghez csapata 2018-ban a kritikus időszakokban körülbelül négyéjszakánként végzett méréseket a Keck Obszervatóriummal — amely a hawaii Mauna Kea szunnyadó vulkán tetején található, és a világ egyik legnagyobb és legjelentősebb optikai és infravörös távcsövének ad otthont. A méréseket egy optikai-infravörös távcsővel a Gemini Obszervatóriumban és a Subaru Teleszkópon is végezték, szintén Hawaiin. Ő és csapata ezeket a teleszkópokat mind a helyszínen, Hawaiin, mind távolról, a UCLA fizika és csillagászat tanszékének megfigyelőterméből használta.
A fekete lyukak olyan nagy sűrűségűek, hogy semmi sem menekülhet a gravitációs vonzásuk elől, még a fény sem. (Közvetlenül nem láthatók, de a közeli csillagokra gyakorolt hatásuk látható, és jelzést ad. Ha egyszer valami átlépi egy fekete lyuk “eseményhorizontját”, nem tud elmenekülni. Az S0-2 csillag azonban még a legközelebbi megközelítésnél is meglehetősen messze van az eseményhorizonttól, így a fotonjai nem húzódnak be.)
Ghez társszerzői: Tuan Do, a Science cikk vezető szerzője, a UCLA kutatója és a UCLA Galaktikus Központ Csoport igazgatóhelyettese; Aurelien Hees, a UCLA korábbi posztdoktora, jelenleg a Párizsi Obszervatórium kutatója; Mark Morris, a UCLA fizika és csillagászat professzora; Eric Becklin, a UCLA fizika és csillagászat professor emeritusa; Smadar Naoz, a UCLA fizika és csillagászat docense; Jessica Lu, a UCLA korábbi végzős hallgatója, aki jelenleg a UC Berkeley csillagászati tanszékének docense; Devin Chu, a UCLA végzős hallgatója; Greg Martinez, a UCLA projekt tudósa; Shoko Sakai, a UCLA kutatója; Shogo Nishiyama, a japán Miyagi Egyetem docense; és Rainer Schoedel, a spanyol Instituto de Astrofsica de Andalucia kutatója.
A Nemzeti Tudományos Alapítvány az elmúlt 25 évben finanszírozta Ghez kutatásait. A közelmúltban a W.M. Keck Alapítvány, a Gordon és Betty Moore Alapítvány és a Heising-Simons Alapítvány is támogatta kutatásait.