“Einstein heeft gelijk, althans voor nu,” zei Ghez, een co-lead auteur van het onderzoek. “We kunnen de zwaartekrachtswet van Newton absoluut uitsluiten. Onze waarnemingen zijn consistent met Einsteins algemene relativiteitstheorie. Maar zijn theorie vertoont wel degelijk kwetsbaarheden. Het kan de zwaartekracht in een zwart gat niet volledig verklaren, en op een gegeven moment zullen we verder moeten gaan dan Einsteins theorie naar een meer omvattende theorie van zwaartekracht die verklaart wat een zwart gat is.”
Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915 stelt dat wat wij waarnemen als de zwaartekracht voortkomt uit de kromming van ruimte en tijd. De wetenschapper stelde voor dat objecten zoals de zon en de aarde deze geometrie veranderen. Einsteins theorie is de beste beschrijving van hoe de zwaartekracht werkt, aldus Ghez, wiens team van astronomen onder leiding van de UCLA directe metingen heeft verricht aan het verschijnsel in de buurt van een superzwaar zwart gat — onderzoek dat Ghez omschrijft als “extreme astrofysica.”
De wetten van de natuurkunde, inclusief de zwaartekracht, zouden overal in het universum geldig moeten zijn, zei Ghez, die eraan toevoegde dat haar onderzoeksteam een van de slechts twee groepen ter wereld is die een ster bekend als S0-2 een volledige baan in drie dimensies zien maken rond het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. De volledige omloop duurt 16 jaar, en de massa van het zwarte gat is ongeveer vier miljoen keer die van de zon.
De onderzoekers zeggen dat hun werk de meest gedetailleerde studie is die ooit is uitgevoerd naar het superzware zwarte gat en Einsteins algemene relativiteitstheorie.
De belangrijkste gegevens in het onderzoek waren spectra die Ghez’s team in april, mei en september analyseerde toen haar “favoriete ster” zijn dichtste benadering van het enorme zwarte gat maakte. Spectra, die Ghez beschreef als de “regenboog van licht” van sterren, tonen de intensiteit van het licht en bieden belangrijke informatie over de ster waar het licht vandaan komt. Spectra laten ook de samenstelling van de ster zien. Deze gegevens werden gecombineerd met metingen die Ghez en haar team de afgelopen 24 jaar hebben verricht.
Spectra — verzameld bij het W.M. Keck Observatorium in Hawaii met behulp van een spectrograaf die bij UCLA is gebouwd door een team onder leiding van collega James Larkin — bieden de derde dimensie, die de beweging van de ster onthult op een niveau van precisie dat nog niet eerder is bereikt. (Beelden van de ster die de onderzoekers bij het Keck Observatory hebben genomen, geven de twee andere dimensies). Larkin’s instrument neemt licht van een ster en verspreidt het, vergelijkbaar met de manier waarop regendruppels licht van de zon verspreiden om een regenboog te creëren, zei Ghez.
“Wat zo speciaal is aan S0-2 is dat we zijn volledige baan in drie dimensies hebben,” zei Ghez, die de Lauren B. Leichtman en Arthur E. Levine Leerstoel in Astrofysica bekleedt. “Dat geeft ons het toegangskaartje tot de tests van de algemene relativiteit. We vragen hoe de zwaartekracht zich gedraagt in de buurt van een superzwaar zwart gat en of Einsteins theorie ons het volledige verhaal vertelt. Door sterren hun volledige omloopbaan te zien doorlopen, krijgen we voor het eerst de kans om de fundamentele natuurkunde te testen aan de hand van de bewegingen van deze sterren.”
Ghez’s onderzoeksteam was in staat om de vermenging van ruimte en tijd in de buurt van het superzware zwarte gat te zien. “In Newtons versie van de zwaartekracht zijn ruimte en tijd gescheiden en vermengen ze zich niet; onder Einstein vermengen ze zich volledig in de buurt van een zwart gat,” zei ze.
“Het maken van een meting van zo’n fundamenteel belang heeft jaren van geduldig observeren gevergd, mogelijk gemaakt door de modernste technologie,” zei Richard Green, directeur van de divisie astronomische wetenschappen van de National Science Foundation. Gedurende meer dan twee decennia heeft de divisie Ghez gesteund, samen met verschillende van de technische elementen die cruciaal zijn voor de ontdekking van het onderzoeksteam. “Door hun rigoureuze inspanningen hebben Ghez en haar medewerkers een hoog-significante validatie van Einsteins idee over sterke zwaartekracht geproduceerd.”
Keck Observatory Director Hilton Lewis noemde Ghez “een van onze meest gepassioneerde en vasthoudende Keck-gebruikers.” “Haar laatste baanbrekende onderzoek,” zei hij, “is het hoogtepunt van een niet aflatende inzet in de afgelopen twee decennia om de mysteries van het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel te ontsluieren.”
De onderzoekers bestudeerden fotonen – deeltjes van licht – terwijl ze van S0-2 naar de aarde reisden. S0-2 beweegt rond het zwarte gat met zinderende snelheden van meer dan 16 miljoen mijl per uur bij zijn dichtste nadering. Einstein had gemeld dat in dit gebied dicht bij het zwarte gat, fotonen extra werk moeten doen. Hun golflengte bij het verlaten van de ster hangt niet alleen af van hoe snel de ster beweegt, maar ook van hoeveel energie de fotonen verbruiken om aan het krachtige zwaartekrachtsveld van het zwarte gat te ontsnappen. In de buurt van een zwart gat is de zwaartekracht veel sterker dan op aarde.
Ghez kreeg afgelopen zomer de kans om gedeeltelijke gegevens te presenteren, maar koos ervoor om dat niet te doen, zodat haar team de gegevens eerst grondig kon analyseren. “We leren hoe de zwaartekracht werkt. Het is een van de vier fundamentele krachten en degene die we het minst hebben getest,” zei ze. “Er zijn veel regio’s waar we ons gewoon niet hebben afgevraagd: hoe werkt de zwaartekracht hier? Het is gemakkelijk om overmoedig te zijn en er zijn veel manieren om de gegevens verkeerd te interpreteren, veel manieren waarop kleine fouten zich kunnen opstapelen tot significante fouten, dat is waarom we onze analyse niet hebben overhaast.”
Ghez, een 2008 ontvanger van de MacArthur “Genius” Fellowship, bestudeert meer dan 3.000 sterren die om het superzware zwarte gat draaien. Honderden van hen zijn jong, zei ze, in een gebied waar astronomen niet hadden verwacht ze te zien.
Het duurt 26.000 jaar voor de fotonen van S0-2 om de aarde te bereiken. “We zijn zo opgewonden en bereiden ons al jaren voor om deze metingen te doen,” zei Ghez, die de leiding heeft over de UCLA Galactic Center Group. “Voor ons is het visceraal, het is nu — maar het gebeurde eigenlijk 26.000 jaar geleden!”
Dit is de eerste van vele tests van de algemene relativiteit die Ghez’s onderzoeksteam zal uitvoeren op sterren in de buurt van het supermassieve zwarte gat. Onder de sterren die haar het meest interesseren is S0-102, die de kortste baan heeft, 11 1/2 jaar om een volledige baan rond het zwarte gat te voltooien. De meeste sterren die Ghez bestudeert, hebben een omloopbaan die veel langer is dan een mensenleven.
Ghez’s team heeft in 2018 tijdens cruciale perioden ongeveer elke vier nachten metingen verricht met behulp van het Keck Observatory — dat bovenop de slapende vulkaan Mauna Kea op Hawaii ligt en een van ’s werelds grootste en belangrijkste optische en infraroodtelescopen herbergt. Er worden ook metingen verricht met een optisch-infraroodtelescoop bij het Gemini Observatorium en de Subaru-telescoop, eveneens in Hawaï. Zij en haar team hebben deze telescopen zowel ter plaatse in Hawaï als op afstand gebruikt vanuit een observatieruimte in het departement fysica en astronomie van UCLA.
Zwarte gaten hebben zo’n hoge dichtheid dat niets aan hun gravitatiekracht kan ontsnappen, zelfs licht niet. (Ze kunnen niet rechtstreeks worden gezien, maar hun invloed op nabije sterren is zichtbaar en levert een handtekening. Zodra iets de “event horizon” van een zwart gat passeert, zal het niet meer kunnen ontsnappen. De ster S0-2 is echter nog vrij ver van de waarnemingshorizon verwijderd, zelfs op zijn dichtste nadering, zodat zijn fotonen er niet in worden getrokken.)
Ghez’s co-auteurs zijn Tuan Do, hoofdauteur van het Science-paper, een UCLA-onderzoekswetenschapper en adjunct-directeur van de UCLA Galactic Center Group; Aurelien Hees, een voormalig postdoctoraal student van UCLA, nu onderzoeker bij de Sterrenwacht van Parijs; Mark Morris, UCLA-professor natuurkunde en sterrenkunde; Eric Becklin, emeritus hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde van UCLA; Smadar Naoz, UCLA-assistent-professor natuurkunde en sterrenkunde; Jessica Lu, een voormalig UCLA-afgestudeerd student die nu een UC Berkeley assistent-professor in de astronomie is; UCLA-afgestudeerd student Devin Chu; Greg Martinez, UCLA projectwetenschapper; Shoko Sakai, een UCLA-onderzoekswetenschapper; Shogo Nishiyama, universitair hoofddocent aan de Japanse Miyagi University of Education; en Rainer Schoedel, een onderzoeker aan het Spaanse Instituto de Astrofsica de Andalucia.
De National Science Foundation heeft het onderzoek van Ghez de afgelopen 25 jaar gefinancierd. Meer recentelijk is haar onderzoek ook gesteund door de W.M. Keck Foundation, de Gordon and Betty Moore Foundation en de Heising-Simons Foundation.