Mer än 100 år efter att Albert Einstein publicerade sin ikoniska teori om allmän relativitet, det börjar slita i kanterna, sa Andrea Ghez, UCLA professor i fysik och astronomi. Nu, i det mest omfattande testet av allmän relativitet nära det monstruösa svarta hålet i mitten av vår galax, Ghez och hennes forskargrupp rapporterar den 25 juli i tidskriften Vetenskap att Einsteins allmänna relativitetsteori håller.

"Einstein har rätt, åtminstone för stunden, "sa Ghez, medförfattare till forskningen. "Vi kan absolut utesluta Newtons tyngdlag. Våra observationer överensstämmer med Einsteins allmänna relativitetsteori. Men hans teori visar definitivt på sårbarhet. Det kan inte helt förklara tyngdkraften inuti ett svart hål, och någon gång måste vi gå bortom Einsteins teori till en mer omfattande gravitationsteori som förklarar vad ett svart hål är. "

Einsteins allmänna relativitetsteori från 1915 menar att det vi uppfattar som tyngdkraften härrör från krökning av rum och tid. Forskaren föreslog att objekt som solen och jorden ändrar denna geometri. Einsteins teori är den bästa beskrivningen av hur gravitationen fungerar, sa Ghez, vars UCLA-ledda team av astronomer har gjort direkta mätningar av fenomenet nära ett supermassivt svart hål-forskning som Ghez beskriver som "extrem astrofysik".

Fysikens lagar, inklusive gravitation, borde gälla överallt i universum, sa Ghez, som tillade att hennes forskargrupp är en av bara två grupper i världen som ser en stjärna känd som S0-2 göra en fullständig bana i tre dimensioner runt det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan. Hela banan tar 16 år, och det svarta hålets massa är ungefär fyra miljoner gånger solens.

Forskarna säger att deras arbete är den mest detaljerade studie som någonsin genomförts i det supermassiva svarta hålet och Einsteins teori om allmän relativitet.

Nyckeldata i forskningen var spektra som Ghez team analyserade i april, Maj och september när hennes "favoritstjärna" närmade sig det enorma svarta hålet. Spectra, som Ghez beskrev som "ljusets regnbåge" från stjärnor, visa ljusets intensitet och ge viktig information om stjärnan som ljuset reser från. Spectra visar också stjärnans sammansättning. Dessa data kombinerades med mätningar som Ghez och hennes team har gjort under de senaste 24 åren.

Spectra - samlad på W.M. Keck Observatory på Hawaii med hjälp av en spektrograf byggd vid UCLA av ett team ledd av kollegan James Larkin – ge den tredje dimensionen, avslöjar stjärnans rörelse med en precisionsnivå som inte tidigare uppnåtts. (Bilder av stjärnan som forskarna tog vid Keck -observatoriet ger de två andra dimensionerna.) Larkins instrument tar ljus från en stjärna och sprider den, liknande sättet som regndroppar sprider ljus från solen för att skapa en regnbåge, sa Ghez.

"Det som är så speciellt med S0-2 är att vi har hela sin bana i tre dimensioner, "sa Ghez, som innehar Lauren B. Leichtman och Arthur E. Levine stol i astrofysik. "Det är det som ger oss inträdesbiljetten till testerna av allmän relativitet. Vi frågade hur tyngdkraften beter sig nära ett supermassivt svart hål och om Einsteins teori berättar hela historien. Att se stjärnor gå igenom deras fullständiga omlopp ger första möjligheten att testa grundläggande fysik med hjälp av dessa stjärnors rörelser. "

Ghez forskargrupp kunde se hur rum och tid blandades nära det supermassiva svarta hålet. "I Newtons version av gravitation, rum och tid är separata, och inte blandas; under Einstein, de blandas helt nära ett svart hål, " Hon sa.

"Att göra en mätning av så grundläggande betydelse har krävt år av tålmodig observation, möjliggörs av den senaste tekniken, sa Richard Green, chef för National Science Foundations avdelning för astronomiska vetenskaper. I mer än två decennier, divisionen har stött Ghez, tillsammans med flera av de tekniska element som är avgörande för forskargruppens upptäckt. "Genom sina noggranna insatser, Ghez och hennes medarbetare har tagit fram en validering av hög betydelse av Einsteins idé om stark gravitation. "

Keck Observatory Director Hilton Lewis kallade Ghez "en av våra mest passionerade och ihärdiga Keck -användare." "Hennes senaste banbrytande forskning, " han sa, "är kulmen på ett orubbligt engagemang under de senaste två decennierna för att låsa upp mysterierna i det supermassiva svarta hålet i mitten av vår Vintergatans galax."

Forskarna studerade fotoner – ljuspartiklar – när de reste från S0-2 till jorden. S0-2 rör sig runt det svarta hålet med blåsiga hastigheter på mer än 16 miljoner miles per timme när det är närmast. Einstein hade rapporterat att i denna region nära det svarta hålet, fotoner måste göra extra arbete. Deras våglängd när de lämnar stjärnan beror inte bara på hur snabbt stjärnan rör sig, men också på hur mycket energi fotonerna förbrukar för att undkomma det svarta hålets kraftfulla gravitationsfält. Nära ett svart hål, gravitationen är mycket starkare än på jorden.

Ghez fick möjlighet att presentera deldata förra sommaren, men valde att inte göra det så att hennes team först kunde analysera data grundligt. "Vi lär oss hur gravitationen fungerar. Det är en av fyra grundläggande krafter och den vi har testat minst, "sa hon." Det finns många regioner där vi bara inte har frågat, hur fungerar gravitationen här? Det är lätt att vara övertygad och det finns många sätt att misstolka data, många sätt som små fel kan ackumuleras till betydande misstag, därför skyndade vi inte på vår analys. "

Ghez, en mottagare 2008 av MacArthur "Genius" Fellowship, studier mer än 3, 000 stjärnor som kretsar kring det supermassiva svarta hålet. Hundratals av dem är unga, Hon sa, i en region där astronomer inte förväntade sig att se dem.

Det tar 26, 000 år för fotonerna från S0-2 att nå jorden. "Vi är så glada, och har förberett i flera år för att göra dessa mätningar, "sa Ghez, som leder UCLA Galactic Center Group. "För oss, det är visceralt, det är nu - men det hände faktiskt 26, För tusen år sedan! "

Detta är det första av många tester av allmän relativitet som Ghez forskargrupp kommer att utföra på stjärnor nära det supermassiva svarta hålet. Bland de stjärnor som intresserar henne mest är S0-102, som har den kortaste omloppsbanan, det tar 11 1/2 år att fullborda en hel bana runt det svarta hålet. De flesta av stjärnorna i Ghez -studier har mycket längre banor än mänsklig livslängd.

Ghez team gjorde mätningar ungefär var fjärde natt under avgörande perioder under 2018 med hjälp av Keck Observatory – som sitter på Hawaiis slumrande vulkan Mauna Kea och inrymmer ett av världens största och främsta optiska och infraröda teleskop. Mätningar görs också med ett optiskt-infrarött teleskop vid Gemini Observatory och Subaru Telescope, även på Hawaii. Hon och hennes team har använt dessa teleskop både på plats på Hawaii och på avstånd från ett observationsrum på UCLA:s avdelning för fysik och astronomi.

Svarta hål har så hög densitet att ingenting kan undgå deras gravitationskraft, inte ens ljus. (De kan inte ses direkt, men deras inflytande på närliggande stjärnor är synligt och ger en signatur. När någonting korsar "händelsehorisonten" i ett svart hål, det kommer inte att kunna fly. Dock, stjärnan S0-2 är fortfarande ganska långt från händelsehorisonten, även när det är närmast, så att fotonerna inte dras in.)