“O direito de Einstein, pelo menos por enquanto”, disse Ghez, um co-líder do autor da pesquisa. “Podemos absolutamente descartar a lei da gravidade de Newton. Nossas observações são consistentes com a teoria da relatividade geral de Einstein. No entanto, a sua teoria está definitivamente a mostrar vulnerabilidade. Não pode explicar completamente a gravidade dentro de um buraco negro, e em algum momento precisaremos ir além da teoria de Einstein para uma teoria da gravidade mais abrangente que explique o que é um buraco negro”
A teoria da relatividade geral de Einstein de 1915 sustenta que o que percebemos como a força da gravidade surge a partir da curvatura do espaço e do tempo. O cientista propôs que objetos como o Sol e a Terra mudam esta geometria. A teoria de Einstein é a melhor descrição de como a gravidade funciona, disse Ghez, cuja equipe de astrônomos liderada pela UCLA fez medições diretas do fenômeno perto de um buraco negro supermassivo – a pesquisa que Ghez descreve como “astrofísica extrema”.”
As leis da física, incluindo a gravidade, devem ser válidas em todo o universo, disse Ghez, que acrescentou que sua equipe de pesquisa é um dos dois únicos grupos no mundo a observar uma estrela conhecida como S0-2 fazer uma órbita completa em três dimensões em torno do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea. A órbita completa leva 16 anos, e a massa do buraco negro é cerca de quatro milhões de vezes a do sol.
Os pesquisadores dizem que seu trabalho é o estudo mais detalhado já realizado no buraco negro supermassivo e a teoria da relatividade geral de Einstein.
Os dados-chave na pesquisa foram espectros que a equipe de Ghez analisou em abril, maio e setembro como sua “estrela favorita” fez sua abordagem mais próxima do enorme buraco negro. Os espectros, que Ghez descreveu como o “arco-íris de luz” das estrelas, mostram a intensidade da luz e oferecem informações importantes sobre a estrela a partir da qual a luz viaja. Os espectros também mostram a composição da estrela. Estes dados foram combinados com as medidas que Ghez e sua equipe fizeram nos últimos 24 anos.
Spectra — coletados no W.M. Keck Observatory no Havaí, usando um espectrógrafo construído na UCLA por uma equipe liderada pelo colega James Larkin — fornecem a terceira dimensão, revelando o movimento da estrela a um nível de precisão não atingido anteriormente. (Imagens da estrela que os pesquisadores tomaram no Observatório Keck fornecem as duas outras dimensões). O instrumento de Larkin tira a luz de uma estrela e a dispersa, semelhante à forma como as gotas de chuva dispersam a luz do sol para criar um arco-íris, disse Ghez.
“O que há de tão especial em S0-2 é que temos sua órbita completa em três dimensões”, disse Ghez, que segura a Cadeira Lauren B. Leichtman e Arthur E. Levine em Astrofísica. “É isso que nos dá o bilhete de entrada para os testes de relatividade geral. Perguntamos como a gravidade se comporta perto de um buraco negro supermassivo e se a teoria de Einstein está nos contando a história completa. Ver as estrelas passarem por sua órbita completa proporciona a primeira oportunidade de testar a física fundamental usando os movimentos dessas estrelas”
A equipe de pesquisa de Einstein foi capaz de ver a co-mersão do espaço e do tempo perto do buraco negro supermassivo. “Na versão de Newton da gravidade, espaço e tempo são separados e não se misturam; sob Einstein, eles se misturam completamente perto de um buraco negro”, disse ela.
“Fazer uma medida de tal importância fundamental tem exigido anos de observação paciente, possibilitada pela tecnologia de ponta”, disse Richard Green, diretor da divisão de ciências astronômicas da National Science Foundation. Por mais de duas décadas, a divisão tem apoiado Ghez, juntamente com vários dos elementos técnicos críticos para a descoberta da equipe de pesquisa. “Através de seus esforços rigorosos, Ghez e seus colaboradores produziram uma validação de alto significado da idéia de Einstein sobre a forte gravidade”
O diretor do Observatório do Keck, Hilton Lewis, chamou Ghez de “um dos nossos mais apaixonados e tenazes usuários do Keck”. “A sua última pesquisa inovadora”, disse ele, “é o culminar do compromisso inabalável nas últimas duas décadas para desvendar os mistérios do buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia Via Láctea”.”
Os pesquisadores estudaram fótons – partículas de luz – enquanto viajavam de S0-2 para a Terra. S0-2 move-se à volta do buraco negro a velocidades de bolhas de mais de 16 milhões de milhas por hora na sua aproximação mais próxima. Einstein tinha relatado que nesta região próxima ao buraco negro, os fótons têm que fazer um trabalho extra. O seu comprimento de onda ao deixarem a estrela depende não só da velocidade com que a estrela se move, mas também da energia que os fotões gastam para escapar ao poderoso campo gravitacional do buraco negro. Perto de um buraco negro, a gravidade é muito mais forte do que na Terra.
Ghez teve a oportunidade de apresentar dados parciais no Verão passado, mas optou por não o fazer para que a sua equipa pudesse analisar os dados em profundidade primeiro. “Estamos a aprender como funciona a gravidade. É uma das quatro forças fundamentais e a que menos testamos”, disse ela. “Há muitas regiões onde não perguntamos, como funciona a gravidade aqui? É fácil ser muito confiante e há muitas maneiras de interpretar mal os dados, muitas maneiras que pequenos erros podem se acumular em erros significativos, e é por isso que não apressamos nossa análise”
Ghez, um recipiente de 2008 da Bolsa MacArthur “Genius”, estuda mais de 3.000 estrelas que orbitam o buraco negro supermassivo. Centenas delas são jovens, disse ela, numa região onde os astrônomos não esperavam vê-las.
Leva 26.000 anos para que os fótons de S0-2 cheguem à Terra. “Estamos tão animados e nos preparamos há anos para fazer estas medições”, disse Ghez, que dirige o Grupo do Centro Galáctico da UCLA. “Para nós, é visceral, é agora — mas na verdade aconteceu há 26.000 anos!”
Este é o primeiro de muitos testes de relatividade geral que a equipe de pesquisa de Ghez fará em estrelas perto do buraco negro supermassivo. Entre as estrelas que mais a interessam está a S0-102, que tem a órbita mais curta, levando 11 anos e meio para completar uma órbita completa em torno do buraco negro. A maioria das estrelas estudadas por Ghez tem órbitas muito mais longas do que uma vida humana.
A equipe de Ghez fez medições a cada quatro noites durante períodos cruciais em 2018 usando o Observatório Keck — que fica no topo do vulcão Mauna Kea, dormente no Havaí, e abriga um dos maiores e principais telescópios ópticos e infravermelhos do mundo. As medições também são feitas com um telescópio de infravermelho óptico no Observatório Gemini e Subaru Telescope, também no Havaí. Ela e sua equipe têm usado estes telescópios tanto no local no Havaí como remotamente de uma sala de observação no departamento de física e astronomia da UCLA.
Buracos pretos têm uma densidade tão alta que nada pode escapar à sua atração gravitacional, nem mesmo a luz. (Eles não podem ser vistos diretamente, mas sua influência sobre as estrelas próximas é visível e fornece uma assinatura. Uma vez que algo atravesse o “horizonte de eventos” de um buraco negro, não será capaz de escapar. No entanto, a estrela S0-2 ainda está bastante longe do horizonte de eventos, mesmo na sua aproximação mais próxima, por isso os seus fotões não são puxados para dentro.)
Os co-autores de Ghez incluem Tuan Do, autor principal do artigo Science, cientista pesquisador da UCLA e vice-diretor do UCLA Galactic Center Group; Aurelien Hees, ex-bolsista de pós-doutorado da UCLA, agora pesquisador do Observatório de Paris; Mark Morris, professor de física e astronomia da UCLA; Eric Becklin, professor emérito de física e astronomia da UCLA; Smadar Naoz, professor assistente de física e astronomia da UCLA; Jessica Lu, ex-aluna graduada da UCLA e hoje professora assistente de astronomia da UCLA Berkeley; Devin Chu, estudante graduado da UCLA; Greg Martinez, cientista do projeto da UCLA; Shoko Sakai, cientista pesquisador da UCLA; Shogo Nishiyama, professor associado da Universidade de Educação Miyagi do Japão; e Rainer Schoedel, pesquisador do Instituto de Astrofsica de Andalucia da Espanha.
A National Science Foundation tem financiado a pesquisa de Ghez nos últimos 25 anos. Mais recentemente, a sua investigação também tem sido apoiada pela Fundação W.M. Keck, a Fundação Gordon and Betty Moore e a Fundação Heising-Simons.