“Einstein ha ragione, almeno per ora”, ha detto Ghez, un autore co-leader della ricerca. “Possiamo assolutamente escludere la legge di gravità di Newton. Le nostre osservazioni sono coerenti con la teoria della relatività generale di Einstein. Tuttavia, la sua teoria sta sicuramente mostrando vulnerabilità. Non può spiegare completamente la gravità all’interno di un buco nero, e ad un certo punto dovremo andare oltre la teoria di Einstein per una teoria della gravità più completa che spieghi cosa sia un buco nero”.”
La teoria della relatività generale di Einstein del 1915 sostiene che ciò che noi percepiamo come forza di gravità deriva dalla curvatura dello spazio e del tempo. Lo scienziato propose che oggetti come il sole e la terra cambiano questa geometria. La teoria di Einstein è la migliore descrizione di come funziona la gravità, ha detto Ghez, il cui team di astronomi guidato dall’UCLA ha effettuato misurazioni dirette del fenomeno vicino a un buco nero supermassiccio – una ricerca che Ghez descrive come “astrofisica estrema.”
Le leggi della fisica, compresa la gravità, dovrebbero essere valide ovunque nell’universo, ha detto Ghez, che ha aggiunto che il suo team di ricerca è uno dei due soli gruppi al mondo a guardare una stella conosciuta come S0-2 fare un’orbita completa in tre dimensioni intorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. L’orbita completa dura 16 anni, e la massa del buco nero è circa quattro milioni di volte quella del sole.
I ricercatori dicono che il loro lavoro è lo studio più dettagliato mai condotto sul buco nero supermassiccio e la teoria della relatività generale di Einstein.
I dati chiave della ricerca sono stati gli spettri che la squadra di Ghez ha analizzato questo aprile, maggio e settembre mentre la sua “stella preferita” si avvicinava al buco nero enorme. Gli spettri, che Ghez ha descritto come “l’arcobaleno di luce” delle stelle, mostrano l’intensità della luce e offrono importanti informazioni sulla stella da cui la luce viaggia. Gli spettri mostrano anche la composizione della stella. Questi dati sono stati combinati con le misurazioni che Ghez e il suo team hanno fatto negli ultimi 24 anni.
Gli spettri — raccolti al W.M. Keck Observatory alle Hawaii usando uno spettrografo costruito alla UCLA da un team guidato dal collega James Larkin — forniscono la terza dimensione, rivelando il movimento della stella a un livello di precisione non raggiunto in precedenza. (Le immagini della stella che i ricercatori hanno preso al Keck Observatory forniscono le altre due dimensioni). Lo strumento di Larkin prende la luce da una stella e la disperde, simile al modo in cui le gocce di pioggia disperdono la luce dal sole per creare un arcobaleno, ha detto Ghez.
“Ciò che è così speciale su S0-2 è che abbiamo la sua orbita completa in tre dimensioni”, ha detto Ghez, che tiene la Lauren B. Leichtman e Arthur E. Levine Chair in astrofisica. “Questo è ciò che ci dà il biglietto d’ingresso nei test della relatività generale. Abbiamo chiesto come si comporta la gravità vicino a un buco nero supermassiccio e se la teoria di Einstein ci sta dicendo la storia completa. Vedere le stelle attraversare la loro orbita completa fornisce la prima opportunità di testare la fisica fondamentale utilizzando i movimenti di queste stelle”.”
Il team di ricerca di Ghez è stato in grado di vedere la mescolanza di spazio e tempo vicino al buco nero supermassiccio. “Nella versione di Newton della gravità, lo spazio e il tempo sono separati e non si mescolano; sotto Einstein, si mescolano completamente vicino a un buco nero”, ha detto.
“Fare una misura di tale importanza fondamentale ha richiesto anni di paziente osservazione, resa possibile da una tecnologia all’avanguardia”, ha detto Richard Green, direttore della divisione di scienze astronomiche della National Science Foundation. Per più di due decenni, la divisione ha sostenuto Ghez, insieme a molti degli elementi tecnici critici per la scoperta del team di ricerca. “Attraverso i loro sforzi rigorosi, Ghez e i suoi collaboratori hanno prodotto una convalida di alto significato dell’idea di Einstein sulla gravità forte.”
Il direttore del Keck Observatory Hilton Lewis ha definito Ghez “uno dei nostri utenti Keck più appassionati e tenaci.” “La sua ultima ricerca innovativa”, ha detto, “è il culmine di un impegno incrollabile negli ultimi due decenni per svelare i misteri del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia Via Lattea.”
I ricercatori hanno studiato i fotoni – particelle di luce – mentre viaggiavano da S0-2 alla Terra. S0-2 si muove intorno al buco nero ad una velocità impressionante di più di 16 milioni di miglia all’ora al suo approccio più vicino. Einstein aveva riferito che in questa regione vicino al buco nero, i fotoni devono fare un lavoro extra. La loro lunghezza d’onda quando lasciano la stella dipende non solo da quanto velocemente la stella si muove, ma anche da quanta energia i fotoni spendono per sfuggire al potente campo gravitazionale del buco nero. Vicino a un buco nero, la gravità è molto più forte che sulla Terra.
Ghez ha avuto l’opportunità di presentare dati parziali la scorsa estate, ma ha scelto di non farlo in modo che il suo team potesse prima analizzare a fondo i dati. “Stiamo imparando come funziona la gravità. È una delle quattro forze fondamentali e quella che abbiamo testato meno”, ha detto. “Ci sono molte regioni in cui non ci siamo chiesti: come funziona la gravità qui? È facile essere troppo fiduciosi e ci sono molti modi per interpretare male i dati, molti modi in cui i piccoli errori possono accumularsi in errori significativi, ed è per questo che non abbiamo affrettato la nostra analisi.”
Ghez, un destinatario del 2008 del MacArthur “Genius” Fellowship, studia più di 3.000 stelle che orbitano intorno al buco nero supermassiccio. Centinaia di loro sono giovani, ha detto, in una regione dove gli astronomi non si aspettavano di vederli.
Ci vogliono 26.000 anni perché i fotoni da S0-2 raggiungano la Terra. “Siamo così eccitati, e ci siamo preparati per anni per fare queste misurazioni”, ha detto Ghez, che dirige l’UCLA Galactic Center Group. “Per noi, è viscerale, è adesso – ma in realtà è successo 26.000 anni fa!”
Questo è il primo di molti test della relatività generale che il team di ricerca di Ghez condurrà sulle stelle vicino al buco nero supermassiccio. Tra le stelle che più le interessano c’è S0-102, che ha l’orbita più breve, impiegando 11 anni e mezzo per completare un’orbita completa intorno al buco nero. La maggior parte delle stelle che Ghez studia hanno orbite molto più lunghe della durata della vita umana.
Il team di Ghez ha effettuato misurazioni ogni quattro notti durante i periodi cruciali del 2018 utilizzando il Keck Observatory – che si trova in cima al vulcano dormiente Mauna Kea delle Hawaii e ospita uno dei più grandi e importanti telescopi ottici e infrarossi del mondo. Le misurazioni vengono effettuate anche con un telescopio ottico-infrarosso al Gemini Observatory e al Subaru Telescope, sempre alle Hawaii. Lei e il suo team hanno usato questi telescopi sia sul posto alle Hawaii che in remoto da una sala di osservazione nel dipartimento di fisica e astronomia dell’UCLA.
I buchi neri hanno una densità così alta che nulla può sfuggire alla loro attrazione gravitazionale, nemmeno la luce. (Non possono essere visti direttamente, ma la loro influenza sulle stelle vicine è visibile e fornisce una firma. Una volta che qualcosa attraversa l'”orizzonte degli eventi” di un buco nero, non sarà in grado di sfuggire. Tuttavia, la stella S0-2 è ancora piuttosto lontana dall’orizzonte degli eventi, anche al suo massimo avvicinamento, quindi i suoi fotoni non vengono tirati dentro.)
I coautori di Ghez includono Tuan Do, autore principale dell’articolo su Science, un ricercatore dell’UCLA e vice direttore dell’UCLA Galactic Center Group; Aurelien Hees, un ex borsista post-dottorato dell’UCLA, ora ricercatore all’Osservatorio di Parigi; Mark Morris, professore UCLA di fisica e astronomia; Eric Becklin, professore emerito UCLA di fisica e astronomia; Smadar Naoz, professore assistente UCLA di fisica e astronomia; Jessica Lu, un ex studente laureato della UCLA che ora è un assistente professore di astronomia della UC Berkeley; Devin Chu, studente laureato della UCLA; Greg Martinez, scienziato del progetto della UCLA; Shoko Sakai, un ricercatore della UCLA; Shogo Nishiyama, professore associato dell’Università di Miyagi in Giappone; e Rainer Schoedel, un ricercatore dell’Instituto de Astrofsica de Andalucia in Spagna.
La National Science Foundation ha finanziato la ricerca di Ghez negli ultimi 25 anni. Più recentemente, la sua ricerca è stata sostenuta anche dalla Fondazione W.M. Keck, dalla Fondazione Gordon e Betty Moore e dalla Fondazione Heising-Simons.