„Einstein are dreptate, cel puțin pentru moment”, a declarat Ghez, co-autor principal al cercetării. „Putem exclude în mod absolut legea gravitațională a lui Newton. Observațiile noastre sunt în concordanță cu teoria relativității generale a lui Einstein. Cu toate acestea, teoria sa își arată cu siguranță vulnerabilitatea. Ea nu poate explica pe deplin gravitația din interiorul unei găuri negre și, la un moment dat, va trebui să trecem dincolo de teoria lui Einstein la o teorie mai cuprinzătoare a gravitației care să explice ce este o gaură neagră.”
Teoria relativității generale a lui Einstein din 1915 susține că ceea ce noi percepem ca fiind forța de gravitație rezultă din curbura spațiului și a timpului. Omul de știință a propus că obiecte precum soarele și Pământul modifică această geometrie. Teoria lui Einstein este cea mai bună descriere a modului în care funcționează gravitația, a declarat Ghez, a cărui echipă de astronomi condusă de UCLA a făcut măsurători directe ale fenomenului în apropierea unei găuri negre supermasive – cercetare pe care Ghez o descrie ca fiind „astrofizică extremă”.”
Legile fizicii, inclusiv gravitația, ar trebui să fie valabile pretutindeni în univers, a spus Ghez, care a adăugat că echipa sa de cercetare este unul dintre cele două grupuri din lume care a urmărit o stea cunoscută sub numele de S0-2 făcând o orbită completă în trei dimensiuni în jurul găurii negre supermasive din centrul Căii Lactee. Orbita completă durează 16 ani, iar masa găurii negre este de aproximativ patru milioane de ori mai mare decât cea a Soarelui.
Cercetătorii spun că lucrarea lor este cel mai detaliat studiu efectuat vreodată asupra găurii negre supermasive și a teoriei relativității generale a lui Einstein.
Datele cheie ale cercetării au fost spectrele pe care echipa lui Ghez le-a analizat în lunile aprilie, mai și septembrie ale acestui an, în timp ce „steaua ei preferată” s-a apropiat cel mai mult de enorma gaură neagră. Spectrele, pe care Ghez le-a descris ca fiind „curcubeul de lumină” de la stele, arată intensitatea luminii și oferă informații importante despre steaua de la care călătorește lumina. Spectrele arată, de asemenea, compoziția stelei. Aceste date au fost combinate cu măsurătorile pe care Ghez și echipa sa le-au făcut în ultimii 24 de ani.
Spectrele – colectate la Observatorul W.M. Keck din Hawaii folosind un spectrograf construit la UCLA de o echipă condusă de colegul James Larkin – oferă a treia dimensiune, dezvăluind mișcarea stelei la un nivel de precizie care nu a fost atins până acum. (Imaginile stelei pe care cercetătorii le-au luat la Observatorul Keck oferă celelalte două dimensiuni). Instrumentul lui Larkin preia lumina de la o stea și o dispersează, similar cu modul în care picăturile de ploaie dispersează lumina de la soare pentru a crea un curcubeu, a spus Ghez.
„Ceea ce este atât de special la S0-2 este că avem orbita sa completă în trei dimensiuni”, a spus Ghez, care deține Catedra Lauren B. Leichtman și Arthur E. Levine în Astrofizică. „Asta este ceea ce ne oferă biletul de intrare în testele relativității generale. Ne-am întrebat cum se comportă gravitația în apropierea unei găuri negre supermasive și dacă teoria lui Einstein ne spune întreaga poveste. Văzând stelele parcurgându-și orbita completă oferă prima oportunitate de a testa fizica fundamentală folosind mișcările acestor stele.”
Echipa de cercetare a lui Ghez a reușit să vadă contopirea spațiului și timpului în apropierea găurii negre supermasive. „În versiunea lui Newton a gravitației, spațiul și timpul sunt separate și nu se contopesc; în versiunea lui Einstein, ele se contopesc complet în apropierea unei găuri negre”, a spus ea.
„Realizarea unei măsurători de o asemenea importanță fundamentală a necesitat ani de observație răbdătoare, permisă de o tehnologie de ultimă generație”, a declarat Richard Green, director al diviziei de științe astronomice a National Science Foundation. Timp de peste două decenii, divizia l-a sprijinit pe Ghez, împreună cu câteva dintre elementele tehnice esențiale pentru descoperirea echipei de cercetare. „Prin eforturile lor riguroase, Ghez și colaboratorii săi au produs o validare de mare importanță a ideii lui Einstein despre gravitația puternică.”
Directorul Observatorului Keck, Hilton Lewis, l-a numit pe Ghez „unul dintre cei mai pasionați și tenace utilizatori Keck”. „Cea mai recentă cercetare revoluționară a sa”, a spus el, „este punctul culminant al angajamentului său de nezdruncinat din ultimele două decenii pentru a desluși misterele găurii negre supermasive din centrul galaxiei noastre Calea Lactee.”
Cercetătorii au studiat fotonii – particule de lumină – în timp ce călătoreau de la S0-2 spre Pământ. S0-2 se deplasează în jurul găurii negre cu viteze amețitoare de peste 16 milioane de mile pe oră la cea mai apropiată apropiere. Einstein raportase că, în această regiune apropiată de gaura neagră, fotonii trebuie să facă o muncă suplimentară. Lungimea lor de undă atunci când părăsesc steaua depinde nu numai de viteza cu care se mișcă steaua, ci și de cantitatea de energie pe care fotonii o consumă pentru a scăpa de puternicul câmp gravitațional al găurii negre. În apropierea unei găuri negre, gravitația este mult mai puternică decât pe Pământ.
Ghez a avut ocazia de a prezenta date parțiale vara trecută, dar a ales să nu o facă pentru ca echipa sa să poată analiza mai întâi datele în detaliu. „Învățăm cum funcționează gravitația. Este una dintre cele patru forțe fundamentale și cea pe care am testat-o cel mai puțin”, a spus ea. „Există multe regiuni în care pur și simplu nu ne-am întrebat: cum funcționează gravitația aici? Este ușor să fii prea încrezător și există multe moduri de a interpreta greșit datele, multe moduri în care erorile mici se pot acumula în greșeli semnificative, motiv pentru care nu ne-am grăbit în analiza noastră.”
Ghez, care a primit în 2008 bursa MacArthur „Genius”, studiază peste 3.000 de stele care orbitează în jurul găurii negre supermasive. Sute dintre ele sunt tinere, a spus ea, într-o regiune în care astronomii nu se așteptau să le vadă.
Este nevoie de 26.000 de ani pentru ca fotonii de la S0-2 să ajungă pe Pământ. „Suntem foarte entuziasmați și ne pregătim de ani de zile pentru a face aceste măsurători”, a declarat Ghez, care conduce Grupul Centrului Galactic de la UCLA. „Pentru noi, este visceral, este acum – dar de fapt s-a întâmplat cu 26.000 de ani în urmă!”
Acesta este primul din multele teste ale relativității generale pe care echipa de cercetare a lui Ghez le va efectua pe stelele din apropierea găurii negre supermasive. Printre stelele care o interesează cel mai mult se numără S0-102, care are cea mai scurtă orbită, având nevoie de 11 ani și jumătate pentru a parcurge o orbită completă în jurul găurii negre. Cele mai multe dintre stelele studiate de Ghez au orbite mult mai lungi decât durata de viață a unui om.
Echipa lui Ghez a efectuat măsurători la aproximativ fiecare patru nopți, în timpul unor perioade cruciale din 2018, folosind Observatorul Keck – care se află în vârful vulcanului adormit Mauna Kea din Hawaii și găzduiește unul dintre cele mai mari și mai importante telescoape optice și infraroșii din lume. Măsurătorile sunt efectuate, de asemenea, cu un telescop optic-infraroșu la Observatorul Gemini și la Telescopul Subaru, tot în Hawaii. Ea și echipa sa au folosit aceste telescoape atât la fața locului, în Hawaii, cât și de la distanță, dintr-o cameră de observație din cadrul departamentului de fizică și astronomie al UCLA.
Găurile negre au o densitate atât de mare încât nimic nu poate scăpa de atracția lor gravitațională, nici măcar lumina. (Ele nu pot fi văzute direct, dar influența lor asupra stelelor din apropiere este vizibilă și oferă o semnătură. Odată ce ceva traversează „orizontul de evenimente” al unei găuri negre, nu va mai putea scăpa. Cu toate acestea, steaua S0-2 este încă destul de departe de orizontul evenimentelor, chiar și la cea mai apropiată apropiere, astfel încât fotonii săi nu sunt atrași.)
Printre coautorii lui Ghez se numără Tuan Do, autorul principal al lucrării din Science, cercetător la UCLA și director adjunct al UCLA Galactic Center Group; Aurelien Hees, fost bursier postdoctoral la UCLA, în prezent cercetător la Observatorul din Paris; Mark Morris, profesor de fizică și astronomie la UCLA; Eric Becklin, profesor emerit de fizică și astronomie la UCLA; Smadar Naoz, profesor asistent de fizică și astronomie la UCLA; Jessica Lu, o fostă studentă absolventă a UCLA, care în prezent este profesor asistent de astronomie la UC Berkeley; Devin Chu, student absolvent al UCLA; Greg Martinez, cercetător de proiect la UCLA; Shoko Sakai, cercetător la UCLA; Shogo Nishiyama, profesor asociat la Universitatea de Educație Miyagi din Japonia; și Rainer Schoedel, cercetător la Instituto de Astrofsica de Andalucia din Spania.
National Science Foundation a finanțat cercetările lui Ghez în ultimii 25 de ani. Mai recent, cercetările sale au fost susținute și de W.M. Keck Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation și Heising-Simons Foundation.
.