„Einstein ma rację, przynajmniej na razie” – powiedział Ghez, współgłówny autor badań. „Możemy absolutnie wykluczyć prawo grawitacji Newtona. Nasze obserwacje są zgodne z ogólną teorią względności Einsteina. Jednak jego teoria zdecydowanie wykazuje słabości. Nie może ona w pełni wyjaśnić grawitacji wewnątrz czarnej dziury i w pewnym momencie będziemy musieli wyjść poza teorię Einsteina do bardziej kompleksowej teorii grawitacji, która wyjaśni czym jest czarna dziura.”
Einsteinowska teoria ogólnej względności z 1915 roku utrzymuje, że to co postrzegamy jako siłę grawitacji wynika z zakrzywienia przestrzeni i czasu. Naukowiec zaproponował, że obiekty takie jak Słońce i Ziemia zmieniają tę geometrię. Teoria Einsteina jest najlepszym opisem tego, jak działa grawitacja, powiedział Ghez, którego zespół astronomów pod kierownictwem UCLA dokonał bezpośrednich pomiarów tego zjawiska w pobliżu supermasywnej czarnej dziury – badania, które Ghez opisuje jako „ekstremalną astrofizykę”.”
Prawa fizyki, w tym grawitacja, powinny obowiązywać wszędzie we wszechświecie, powiedziała Ghez, która dodała, że jej zespół badawczy jest jedną z zaledwie dwóch grup na świecie, które obserwują gwiazdę znaną jako S0-2, która wykonuje pełną orbitę w trzech wymiarach wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Pełna orbita trwa 16 lat, a masa czarnej dziury jest około cztery miliony razy większa od masy Słońca.
Badacze twierdzą, że ich praca jest najbardziej szczegółowym badaniem, jakie kiedykolwiek przeprowadzono na temat supermasywnej czarnej dziury i Einsteinowskiej teorii względności.
Kluczowymi danymi w badaniach były widma, które zespół Ghez’a przeanalizował w kwietniu, maju i wrześniu tego roku, gdy jej „ulubiona gwiazda” zbliżyła się do ogromnej czarnej dziury. Widma, które Ghez opisała jako „tęczę światła” z gwiazd, pokazują intensywność światła i oferują ważne informacje o gwieździe, od której światło podróżuje. Widma pokazują również skład gwiazdy. Dane te zostały połączone z pomiarami, które Ghez i jej zespół wykonali w ciągu ostatnich 24 lat.
Spektra — zebrane w Obserwatorium W.M. Kecka na Hawajach przy użyciu spektrografu zbudowanego na UCLA przez zespół kierowany przez kolegę Jamesa Larkina — dostarczają trzeciego wymiaru, ujawniając ruch gwiazdy na poziomie precyzji, który nie został wcześniej osiągnięty. (Zdjęcia gwiazdy wykonane przez badaczy w Obserwatorium Kecka dostarczają dwóch pozostałych wymiarów). Instrument Larkina pobiera światło z gwiazdy i rozprasza je, podobnie jak krople deszczu rozpraszają światło słoneczne tworząc tęczę, powiedział Ghez.
„To co jest tak wyjątkowe w przypadku S0-2 to fakt, że mamy jej kompletną orbitę w trzech wymiarach,” powiedział Ghez, który posiada Lauren B. Leichtman i Arthur E. Levine Chair in Astrophysics. „To właśnie daje nam bilet wstępu do testów ogólnej teorii względności. Zapytaliśmy, jak zachowuje się grawitacja w pobliżu supermasywnej czarnej dziury i czy teoria Einsteina mówi nam wszystko. Obserwowanie gwiazd przechodzących przez swoje pełne orbity daje pierwszą okazję do przetestowania fundamentalnej fizyki przy użyciu ruchów tych gwiazd.”
Zespół badawczy Gheza był w stanie zaobserwować mieszanie się przestrzeni i czasu w pobliżu supermasywnej czarnej dziury. „W Newtonowskiej wersji grawitacji, przestrzeń i czas są oddzielone i nie mieszają się; w wersji Einsteina, w pobliżu czarnej dziury mieszają się całkowicie” – powiedziała.
„Dokonanie pomiaru o tak fundamentalnym znaczeniu wymagało lat cierpliwych obserwacji, umożliwionych przez najnowocześniejszą technologię” – powiedział Richard Green, dyrektor National Science Foundation’s division of astronomical sciences. Przez ponad dwie dekady dział ten wspierał Gheza, wraz z kilkoma technicznymi elementami krytycznymi dla odkrycia dokonanego przez zespół badawczy. „Dzięki swoim rygorystycznym wysiłkom, Ghez i jej współpracownicy stworzyli wysokiej wagi potwierdzenie idei Einsteina o silnej grawitacji.”
Dyrektor Obserwatorium Kecka Hilton Lewis nazwał Ghez „jedną z naszych najbardziej namiętnych i wytrwałych użytkowników Kecka”. „Jej ostatnie przełomowe badania,” powiedział, „są kulminacją niezachwianego zaangażowania w ciągu ostatnich dwóch dekad, aby rozwikłać tajemnice supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej.”
Badacze studiowali fotony — cząstki światła — jak podróżowały z S0-2 na Ziemię. S0-2 porusza się wokół czarnej dziury z zawrotną prędkością ponad 16 milionów mil na godzinę przy jej najbliższym zbliżeniu. Einstein doniósł, że w tym regionie blisko czarnej dziury fotony muszą wykonać dodatkową pracę. Długość ich fali podczas opuszczania gwiazdy zależy nie tylko od tego, jak szybko porusza się gwiazda, ale również od tego, ile energii fotony zużywają na ucieczkę z potężnego pola grawitacyjnego czarnej dziury. W pobliżu czarnej dziury grawitacja jest znacznie silniejsza niż na Ziemi.
Ghez miała możliwość przedstawienia częściowych danych zeszłego lata, ale nie zdecydowała się na to, aby jej zespół mógł najpierw dokładnie przeanalizować dane. „Uczymy się, jak działa grawitacja. Jest to jedna z czterech podstawowych sił i ta, którą przetestowaliśmy najmniej,” powiedziała. „Jest wiele regionów, w których po prostu nie zapytaliśmy, jak działa tu grawitacja? Łatwo jest być zbyt pewnym siebie i jest wiele sposobów, aby źle zinterpretować dane, wiele sposobów, że małe błędy mogą skumulować się w znaczące błędy, dlatego nie spieszyliśmy się z naszą analizą.”
Ghez, odbiorca stypendium MacArthur „Genius” z 2008 roku, bada ponad 3000 gwiazd, które orbitują wokół supermasywnej czarnej dziury. Powiedziała, że setki z nich są młode, w regionie, w którym astronomowie nie spodziewali się ich zobaczyć.
Potrzeba 26 000 lat, aby fotony z S0-2 dotarły do Ziemi. „Jesteśmy bardzo podekscytowani i od lat przygotowywaliśmy się do tych pomiarów” – powiedział Ghez, który kieruje Grupą Centrum Galaktycznego UCLA. „Dla nas, to jest trzewne, to jest teraz – ale tak naprawdę wydarzyło się 26 000 lat temu!”
To jest pierwszy z wielu testów ogólnej teorii względności, które zespół badawczy Ghez przeprowadzi na gwiazdach w pobliżu supermasywnej czarnej dziury. Wśród gwiazd, które najbardziej ją interesują jest S0-102, która ma najkrótszą orbitę, potrzebując 11 i pół roku na pełną orbitę wokół czarnej dziury. Większość gwiazd, które bada Ghez, ma orbity znacznie dłuższe niż ludzkie życie.
Zespół Ghez dokonywał pomiarów co cztery noce podczas kluczowych okresów w 2018 roku przy użyciu Obserwatorium Kecka — które siedzi na szczycie uśpionego wulkanu Mauna Kea na Hawajach i mieści jeden z największych na świecie i premierowych teleskopów optycznych i podczerwonych. Pomiary są również wykonywane za pomocą optyczno-podczerwonego teleskopu w Gemini Observatory i Subaru Telescope, również na Hawajach. Ona i jej zespół używali tych teleskopów zarówno na miejscu na Hawajach, jak i zdalnie z sali obserwacyjnej w wydziale fizyki i astronomii UCLA.
Czarne dziury mają tak dużą gęstość, że nic nie może uciec przed ich grawitacyjnym przyciąganiem, nawet światło. (Nie można ich zobaczyć bezpośrednio, ale ich wpływ na pobliskie gwiazdy jest widoczny i stanowi sygnaturę. Gdy coś przekroczy „horyzont zdarzeń” czarnej dziury, nie będzie w stanie uciec. Jednak gwiazda S0-2 jest wciąż dość daleko od horyzontu zdarzeń, nawet przy najbliższym zbliżeniu, więc jej fotony nie zostają wciągnięte.Współautorzy pracy Gheza to Tuan Do, główny autor artykułu w Science, naukowiec z UCLA i zastępca dyrektora UCLA Galactic Center Group; Aurelien Hees, były doktorant UCLA, obecnie pracownik naukowy Obserwatorium Paryskiego; Mark Morris, profesor fizyki i astronomii UCLA; Eric Becklin, emerytowany profesor fizyki i astronomii UCLA; Smadar Naoz, asystent profesora fizyki i astronomii UCLA; Jessica Lu, była studentka UCLA, która obecnie jest asystentką profesora astronomii UC Berkeley; student UCLA Devin Chu; Greg Martinez, naukowiec projektu UCLA; Shoko Sakai, naukowiec UCLA; Shogo Nishiyama, profesor nadzwyczajny z japońskim Miyagi University of Education; oraz Rainer Schoedel, badacz z hiszpańskiego Instituto de Astrofsica de Andalucia.
Narodowa Fundacja Naukowa finansowała badania Ghez przez ostatnie 25 lat. Ostatnio jej badania były również wspierane przez W.M. Keck Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation oraz Heising-Simons Foundation.
.