Meer dan 100 jaar nadat Albert Einstein zijn iconische algemene relativiteitstheorie publiceerde, het begint te rafelen aan de randen, zei Andrea Ghez, UCLA hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. Nutsvoorzieningen, in de meest uitgebreide test van de algemene relativiteitstheorie nabij het monsterlijke zwarte gat in het centrum van onze melkweg, Ghez en haar onderzoeksteam rapporteren 25 juli in het tijdschrift Wetenschap dat Einsteins algemene relativiteitstheorie stand houdt.

"Einstein heeft gelijk, tenminste voor nu, " zei Gez, een co-hoofdauteur van het onderzoek. "We kunnen de zwaartekrachtswet van Newton absoluut uitsluiten. Onze waarnemingen komen overeen met de algemene relativiteitstheorie van Einstein. zijn theorie toont duidelijk kwetsbaarheid. Het kan de zwaartekracht in een zwart gat niet volledig verklaren, en op een gegeven moment zullen we voorbij de theorie van Einstein moeten gaan naar een meer uitgebreide theorie van de zwaartekracht die verklaart wat een zwart gat is."

Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915 stelt dat wat we 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 zwaartekracht werkt, zei Ghez, wiens door de UCLA geleide team van astronomen directe metingen heeft gedaan van het fenomeen in de buurt van een superzwaar zwart gat - onderzoek dat Ghez beschrijft als 'extreme astrofysica'.

De wetten van de natuurkunde, inclusief zwaartekracht, zou 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 heeft zien maken rond het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. De volledige baan 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 de algemene relativiteitstheorie van Einstein.

De belangrijkste gegevens in het onderzoek waren spectra die het team van Ghez in april heeft geanalyseerd, In mei en september kwam haar 'favoriete ster' het dichtst bij het enorme zwarte gat. 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 tonen ook de samenstelling van de ster. Deze gegevens werden gecombineerd met metingen die Ghez en haar team de afgelopen 24 jaar hebben gedaan.

Spectra - verzameld in de W.M. Keck Observatory in Hawaï met behulp van een spectrograaf gebouwd aan de UCLA door een team onder leiding van collega James Larkin - levert de derde dimensie, het onthullen van de beweging van de ster met een nauwkeurigheid die nog niet eerder is bereikt. (Afbeeldingen van de ster die de onderzoekers bij het Keck Observatory hebben gemaakt, geven de twee andere dimensies weer.) Larkins instrument neemt licht van een ster en verspreidt het, vergelijkbaar met de manier waarop regendruppels het 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 Gez, die de Lauren B. Leichtman en Arthur E. Levine leerstoel in astrofysica bekleedt. "Dat geeft ons het toegangsbewijs voor de tests van de algemene relativiteitstheorie. We vroegen hoe de zwaartekracht zich gedraagt ​​​​in de buurt van een superzwaar zwart gat en of de theorie van Einstein ons het volledige verhaal vertelt. Het zien van sterren die door hun volledige baan gaan, biedt de eerste mogelijkheid om fundamentele natuurkunde met behulp van de bewegingen van deze sterren."

Het onderzoeksteam van Ghez was in staat om de vermenging van ruimte en tijd nabij het superzware zwarte gat te zien. "In Newtons versie van zwaartekracht, ruimte en tijd zijn gescheiden, en meng je niet; onder Einstein, ze raken volledig vermengd in de buurt van een zwart gat, " ze zei.

"Het maken van een meting van zo'n fundamenteel belang heeft jaren van geduldig observeren vereist, mogelijk gemaakt door de modernste technologie, " zei Richard Groen, directeur van de afdeling astronomische wetenschappen van de National Science Foundation. Al meer dan twee decennia, de divisie heeft Ghez gesteund, samen met een aantal van de technische elementen die cruciaal zijn voor de ontdekking van het onderzoeksteam. "Door hun rigoureuze inspanningen, Ghez en haar medewerkers hebben een zeer significante validatie geproduceerd van Einsteins idee over sterke zwaartekracht."

Keck Observatory Directeur Hilton Lewis noemde Ghez "een van onze meest gepassioneerde en vasthoudende Keck-gebruikers." "Haar laatste baanbrekende onderzoek, " hij zei, "is het hoogtepunt van de niet-aflatende toewijding van de afgelopen twee decennia om de mysteries van het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel te ontrafelen."

De onderzoekers bestudeerden fotonen - lichtdeeltjes - terwijl ze van S0-2 naar de aarde reisden. S0-2 beweegt rond het zwarte gat met verbijsterende 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 moeten extra werk doen. Hun golflengte bij het verlaten van de ster hangt niet alleen af ​​van hoe snel de ster beweegt, maar ook hoeveel energie de fotonen verbruiken om aan het krachtige zwaartekrachtveld van het zwarte gat te ontsnappen. In de buurt van een zwart gat, zwaartekracht is veel sterker dan op aarde.

Ghez kreeg afgelopen zomer de gelegenheid om gedeeltelijke gegevens te presenteren, maar koos ervoor dat niet te doen, zodat haar team de gegevens eerst grondig kon analyseren. "We leren hoe 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 het gewoon niet hebben gevraagd, hoe werkt de zwaartekracht hier? Het is gemakkelijk om overmoedig te zijn en er zijn veel manieren om de gegevens verkeerd te interpreteren, vele manieren waarop kleine fouten zich kunnen ophopen in significante fouten, daarom hebben we onze analyse niet overhaast."

ghez, een 2008 ontvanger van de MacArthur "Genius" Fellowship, studeert meer dan 3, 000 sterren die rond het superzware zwarte gat draaien. Honderden van hen zijn jong, ze zei, in een regio waar astronomen ze niet verwachtten te zien.

Het duurt 26, 000 jaar voor de fotonen van S0-2 om de aarde te bereiken. "We zijn zo opgewonden, en zijn al jaren bezig met het voorbereiden van deze metingen, " zei Gez, die de UCLA Galactic Center Group leidt. "Voor ons, het is visceraal, het is nu - maar het is echt gebeurd 26, 000 jaar geleden!"

Dit is de eerste van vele tests van de algemene relativiteitstheorie die Ghez' onderzoeksteam zal uitvoeren op sterren in de buurt van het superzware zwarte gat. Een van de sterren die haar het meest interesseren is S0-102, die de kortste baan heeft, 11 1/2 jaar nodig hebben om een ​​volledige baan rond het zwarte gat te voltooien. De meeste sterren die Ghez-onderzoeken hebben, hebben een baan die veel langer is dan een mensenleven.

Het team van Ghez voerde in 2018 ongeveer elke vier nachten metingen uit tijdens cruciale periodes met behulp van het Keck Observatory - dat bovenop de slapende Mauna Kea-vulkaan in Hawaï staat en een van 's werelds grootste en belangrijkste optische en infraroodtelescopen herbergt. Metingen worden ook gedaan met een optisch-infraroodtelescoop bij Gemini Observatory en Subaru Telescope, ook op Hawaï. Zij en haar team hebben deze telescopen zowel ter plaatse in Hawaï als op afstand gebruikt vanuit een observatieruimte in de afdeling natuurkunde en astronomie van de UCLA.

Zwarte gaten hebben zo'n hoge dichtheid dat niets aan hun zwaartekracht kan ontsnappen, niet eens licht. (Ze zijn niet direct te zien, maar hun invloed op nabije sterren is zichtbaar en geeft een signatuur. Zodra iets de "gebeurtenishorizon" van een zwart gat overschrijdt, het zal niet kunnen ontsnappen. Echter, de ster S0-2 is nog vrij ver van de waarnemingshorizon, zelfs bij zijn dichtste benadering, zodat de fotonen niet naar binnen worden getrokken.)