”Einstein har rätt, åtminstone för tillfället”, säger Ghez, som är en av huvudförfattarna till forskningen. ”Vi kan absolut utesluta Newtons gravitationslag. Våra observationer stämmer överens med Einsteins allmänna relativitetsteori. Hans teori visar dock definitivt sårbarhet. Den kan inte helt och hållet förklara gravitationen inuti ett svart hål, och vid någon tidpunkt kommer vi att behöva gå bortom Einsteins teori till en mer omfattande gravitationsteori som förklarar vad ett svart hål är.”
Einsteins allmänna relativitetsteori från 1915 hävdar att det som vi uppfattar som gravitationskraften beror på krökningen av rum och tid. Forskaren föreslog att objekt som solen och jorden förändrar denna geometri. Einsteins teori är den bästa beskrivningen av hur gravitationen fungerar, säger Ghez, vars UCLA-ledda grupp av astronomer har gjort direkta mätningar av fenomenet nära ett supermassivt svart hål – forskning som Ghez beskriver som ”extrem astrofysik”.”
Fysikens lagar, inklusive gravitationen, bör gälla överallt i universum, sade Ghez, som tillade att hennes forskargrupp är en av endast två grupper i världen som har sett en stjärna som kallas S0-2 göra en fullständig omloppsbana i tre dimensioner runt det supermassiva svarta hålet i centrum av Vintergatan. En fullständig omloppsbana tar 16 år, och det svarta hålets massa är ungefär fyra miljoner gånger större än solens.
Forskarna säger att deras arbete är den mest detaljerade studie som någonsin gjorts av det supermassiva svarta hålet och Einsteins allmänna relativitetsteori.
Nyckeldata i forskningen var de spektrum som Ghez team analyserade i april, maj och september i år när hennes ”favoritstjärna” närmade sig det enorma svarta hålet närmast. Spektra, som Ghez beskrev som ”regnbågen av ljus” från stjärnor, visar ljusets intensitet och ger viktig information om den stjärna som ljuset kommer ifrån. Spektra visar också stjärnans sammansättning. Dessa data kombinerades med mätningar som Ghez och hennes grupp har gjort under de senaste 24 åren.
Spektren – som samlades in vid W.M. Keck-observatoriet på Hawaii med hjälp av en spektrograf som byggdes vid UCLA av en grupp som leddes av kollegan James Larkin – ger den tredje dimensionen, och avslöjar stjärnans rörelse på en precisionsnivå som man inte tidigare har uppnått. (Bilder av stjärnan som forskarna tog vid Keck-observatoriet ger de två andra dimensionerna). Larkins instrument tar ljus från en stjärna och sprider det, på samma sätt som regndroppar sprider ljuset från solen för att skapa en regnbåge, sade Ghez.
”Det som är så speciellt med S0-2 är att vi har hela dess omloppsbana i tre dimensioner”, sade Ghez, som är innehavare av Lauren B. Leichtman och Arthur E. Levine Chair in Astrophysics. ”Det är det som ger oss inträdesbiljetten till testerna av den allmänna relativiteten. Vi frågade hur gravitationen beter sig i närheten av ett supermassivt svart hål och om Einsteins teori berättar hela historien. Att se stjärnor gå igenom hela sin omloppsbana ger oss den första möjligheten att testa grundläggande fysik med hjälp av dessa stjärnors rörelser.”
Ghez forskargrupp kunde se hur rum och tid blandas ihop i närheten av det supermassiva svarta hålet. ”I Newtons version av gravitationen är rum och tid åtskilda och blandas inte, men enligt Einstein blandas de helt och hållet nära ett svart hål”, säger hon.
”För att göra en mätning av så grundläggande betydelse har det krävts år av tålmodiga observationer, som möjliggjorts av den senaste tekniken”, säger Richard Green, direktör för National Science Foundations avdelning för astronomiska vetenskaper. I mer än två decennier har divisionen stött Ghez, tillsammans med flera av de tekniska element som var avgörande för forskarlagets upptäckt. ”Genom sina rigorösa ansträngningar har Ghez och hennes medarbetare åstadkommit en bekräftelse av hög betydelse av Einsteins idé om stark gravitation.”
Keck-observatoriets direktör Hilton Lewis kallade Ghez för ”en av våra mest passionerade och ihärdiga Keck-användare”. ”Hennes senaste banbrytande forskning”, sade han, ”är kulmen på ett orubbligt engagemang under de senaste två decennierna för att lösa mysterierna kring det supermassiva svarta hålet i vår Vintergatas centrum.”
Forskarna studerade fotoner – ljuspartiklar – när de färdades från S0-2 till jorden. S0-2 rör sig runt det svarta hålet med en rasande hastighet på mer än 16 miljoner kilometer i timmen vid sitt närmaste närmande. Einstein hade rapporterat att i detta område nära det svarta hålet måste fotonerna göra extra arbete. Deras våglängd när de lämnar stjärnan beror inte bara på hur snabbt stjärnan rör sig, utan också på hur mycket energi fotonerna använder för att undkomma det svarta hålets kraftfulla gravitationsfält. I närheten av ett svart hål är gravitationen mycket starkare än på jorden.
Ghez fick möjlighet att presentera en del av uppgifterna förra sommaren, men valde att inte göra det så att hennes team först kunde analysera uppgifterna grundligt. ”Vi lär oss hur gravitationen fungerar. Det är en av fyra grundläggande krafter och den som vi har testat minst”, säger hon. ”Det finns många regioner där vi helt enkelt inte har frågat: Hur fungerar gravitationen här? Det är lätt att bli övermodig och det finns många sätt att misstolka data, många sätt som små fel kan ackumuleras till betydande misstag, vilket är anledningen till att vi inte skyndade på vår analys.”
Ghez, en mottagare av MacArthur ”Genius” Fellowship 2008, studerar mer än 3 000 stjärnor som kretsar kring det supertunga svarta hålet. Hundratals av dem är unga, säger hon, i ett område där astronomer inte förväntade sig att se dem.
Det tar 26 000 år för fotoner från S0-2 att nå jorden. ”Vi är så exalterade och har förberett oss i åratal för att göra dessa mätningar”, sade Ghez, som leder UCLA:s Galactic Center Group. ”För oss är det kännbart, det är nu – men det hände faktiskt för 26 000 år sedan!”
Detta är det första av många tester av den allmänna relativitetsteorin som Ghez forskargrupp kommer att utföra på stjärnor i närheten av det supermassiva svarta hålet. Bland de stjärnor som intresserar henne mest är S0-102, som har den kortaste omloppsbanan och tar 11 1/2 år på sig för att fullborda en hel omloppsbana runt det svarta hålet. De flesta av de stjärnor som Ghez studerar har banor som är mycket längre än en människas livslängd.
Ghez team gjorde mätningar ungefär var fjärde natt under avgörande perioder under 2018 med hjälp av Keck-observatoriet – som ligger på toppen av Hawaiis vilande vulkan Mauna Kea och rymmer ett av världens största och främsta optiska och infraröda teleskop. Mätningar görs också med ett optisk-infrarött teleskop vid Gemini-observatoriet och Subaru-teleskopet, också på Hawaii. Hon och hennes team har använt dessa teleskop både på plats på Hawaii och på distans från ett observationsrum på UCLA:s avdelning för fysik och astronomi.
Svarta hål har en så hög densitet att ingenting kan undkomma deras gravitationskraft, inte ens ljus. (De kan inte ses direkt, men deras påverkan på närliggande stjärnor är synlig och ger en signatur. När något väl korsar ett svart håls ”händelsehorisont” kommer det inte att kunna undkomma. Stjärnan S0-2 är dock fortfarande ganska långt från händelsehorisonten, även när den närmast närmar sig, så dess fotoner dras inte in.)
Ghez medförfattare är Tuan Do, huvudförfattare till Science-artikeln, forskare vid UCLA och biträdande chef för UCLA:s grupp för galaktiska centra, Aurelien Hees, tidigare postdoktoral forskare vid UCLA, numera forskare vid Parisobservatoriet, Mark Morris, professor i fysik och astronomi vid UCLA, Eric Becklin, professor emeritus i fysik och astronomi vid UCLA, och Smadar Naoz, biträdande professor i fysik och astronomi vid UCLA; Jessica Lu, tidigare doktorand vid UCLA och numera biträdande professor i astronomi vid UC Berkeley, doktorand vid UCLA Devin Chu, Greg Martinez, projektforskare vid UCLA, Shoko Sakai, forskare vid UCLA, Shogo Nishiyama, docent vid Miyagi University of Education i Japan och Rainer Schoedel, forskare vid Instituto de Astrofsica de Andalucia i Spanien.
National Science Foundation har finansierat Ghez forskning under de senaste 25 åren. På senare tid har hennes forskning också fått stöd från W.M. Keck Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation och Heising-Simons Foundation.