Más de 100 años después de que Albert Einstein publicara su icónica teoría de la relatividad general, comienza a deshilacharse en los bordes, dijo Andrea Ghez, Profesor de física y astronomía de UCLA. Ahora, en la prueba más completa de relatividad general cerca del monstruoso agujero negro en el centro de nuestra galaxia, Ghez y su equipo de investigación informan el 25 de julio en la revista. Ciencias que sostiene la teoría de la relatividad general de Einstein.

"Einstein tiene razón, por ahora, "dijo Ghez, coautor principal de la investigación. "Podemos descartar absolutamente la ley de la gravedad de Newton. Nuestras observaciones son consistentes con la teoría de la relatividad general de Einstein. Sin embargo, su teoría definitivamente muestra vulnerabilidad. No puede explicar completamente la gravedad dentro de un agujero negro, y en algún momento tendremos que ir más allá de la teoría de Einstein hacia una teoría más completa de la gravedad que explique qué es un agujero negro ".

La teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 sostiene que lo que percibimos como fuerza de gravedad surge de la curvatura del espacio y el tiempo. El científico propuso que objetos como el sol y la Tierra cambian esta geometría. La teoría de Einstein es la mejor descripción de cómo funciona la gravedad, dijo Ghez, cuyo equipo de astrónomos dirigido por UCLA ha realizado mediciones directas del fenómeno cerca de un agujero negro supermasivo, una investigación que Ghez describe como "astrofísica extrema".

Las leyes de la física incluida la gravedad, debería ser válido en todas partes del universo, dijo Ghez, quien agregó que su equipo de investigación es uno de los dos únicos grupos en el mundo que observan a una estrella conocida como S0-2 hacer una órbita completa en tres dimensiones alrededor del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. La órbita completa tarda 16 años, y la masa del agujero negro es aproximadamente cuatro millones de veces la del sol.

Los investigadores dicen que su trabajo es el estudio más detallado jamás realizado sobre el agujero negro supermasivo y la teoría de la relatividad general de Einstein.

Los datos clave de la investigación fueron espectros que el equipo de Ghez analizó en abril, Mayo y septiembre, como su "estrella favorita", se acercaron más al enorme agujero negro. Espectros que Ghez describió como el "arco iris de luz" de las estrellas, muestran la intensidad de la luz y ofrecen información importante sobre la estrella desde la que viaja la luz. Los espectros también muestran la composición de la estrella. Estos datos se combinaron con las mediciones que Ghez y su equipo han realizado durante los últimos 24 años.

Espectros:recopilados en el W.M. Observatorio Keck en Hawái utilizando un espectrógrafo construido en UCLA por un equipo dirigido por su colega James Larkin:proporciona la tercera dimensión, revelando el movimiento de la estrella a un nivel de precisión nunca antes alcanzado. (Las imágenes de la estrella que los investigadores tomaron en el Observatorio Keck proporcionan las otras dos dimensiones). El instrumento de Larkin toma la luz de una estrella y la dispersa. similar a la forma en que las gotas de lluvia dispersan la luz del sol para crear un arco iris, Dijo Ghez.

"Lo que tiene de especial S0-2 es que tenemos su órbita completa en tres dimensiones, "dijo Ghez, quien ocupa la Cátedra Lauren B. Leichtman y Arthur E. Levine en Astrofísica. "Eso es lo que nos da el boleto de entrada a las pruebas de la relatividad general. Preguntamos cómo se comporta la gravedad cerca de un agujero negro supermasivo y si la teoría de Einstein nos está contando la historia completa. Ver las estrellas atravesar su órbita completa brinda la primera oportunidad para probar fundamentales física utilizando los movimientos de estas estrellas ".

El equipo de investigación de Ghez pudo ver la mezcla de espacio y tiempo cerca del agujero negro supermasivo. "En la versión de Newton de la gravedad, el espacio y el tiempo están separados, y no se mezclen; bajo Einstein, se mezclan completamente cerca de un agujero negro, " ella dijo.

"Hacer una medición de tan fundamental importancia ha requerido años de observación por parte del paciente, habilitado por tecnología de punta, "dijo Richard Green, director de la división de ciencias astronómicas de la National Science Foundation. Durante más de dos décadas, la división ha apoyado a Ghez, junto con varios de los elementos técnicos críticos para el descubrimiento del equipo de investigación. "Gracias a sus rigurosos esfuerzos, Ghez y sus colaboradores han producido una validación muy significativa de la idea de Einstein sobre la gravedad fuerte ".

El director del Observatorio Keck, Hilton Lewis, calificó a Ghez como "uno de nuestros usuarios de Keck más apasionados y tenaces". "Su última investigación innovadora, " él dijo, "es la culminación del compromiso inquebrantable durante las últimas dos décadas para descubrir los misterios del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea".

Los investigadores estudiaron fotones (partículas de luz) mientras viajaban desde S0-2 a la Tierra. S0-2 se mueve alrededor del agujero negro a velocidades vertiginosas de más de 16 millones de millas por hora en su aproximación más cercana. Einstein había informado que en esta región cercana al agujero negro, los fotones tienen que hacer un trabajo extra. Su longitud de onda al salir de la estrella depende no solo de qué tan rápido se mueve la estrella, sino también en la cantidad de energía que gastan los fotones para escapar del poderoso campo gravitacional del agujero negro. Cerca de un agujero negro, la gravedad es mucho más fuerte que en la Tierra.

Ghez tuvo la oportunidad de presentar datos parciales el verano pasado, pero decidió no hacerlo para que su equipo pudiera analizar a fondo los datos primero. "Estamos aprendiendo cómo funciona la gravedad. Es una de las cuatro fuerzas fundamentales y la que menos hemos probado, ", dijo." Hay muchas regiones donde simplemente no hemos preguntado, ¿Cómo funciona la gravedad aquí? Es fácil tener demasiada confianza y hay muchas formas de malinterpretar los datos, muchas formas en que los pequeños errores pueden acumularse en errores importantes, por eso no apresuramos nuestro análisis ".

Ghez, recibió en 2008 la beca MacArthur "Genius", estudia más de 3, 000 estrellas que orbitan el agujero negro supermasivo. Cientos de ellos son jóvenes ella dijo, en una región donde los astrónomos no esperaban verlos.

Se necesitan 26, 000 años para que los fotones de S0-2 lleguen a la Tierra. "Estamos muy emocionados, y nos hemos estado preparando durante años para realizar estas mediciones, "dijo Ghez, quien dirige el Grupo del Centro Galáctico de UCLA. "Para nosotros, es visceral es ahora, pero en realidad sucedió 26, ¡Hace 000 años! "

Esta es la primera de muchas pruebas de relatividad general que el equipo de investigación de Ghez realizará en estrellas cercanas al agujero negro supermasivo. Entre las estrellas que más le interesan está S0-102, que tiene la órbita más corta, tardando 11 1/2 años en completar una órbita completa alrededor del agujero negro. La mayoría de las estrellas que estudia Ghez tienen órbitas mucho más largas que una vida humana.

El equipo de Ghez tomó medidas cada cuatro noches durante períodos cruciales en 2018 utilizando el Observatorio Keck, que se encuentra en la cima del volcán inactivo Mauna Kea de Hawai y alberga uno de los telescopios ópticos e infrarrojos más grandes y principales del mundo. Las mediciones también se toman con un telescopio óptico-infrarrojo en el Observatorio Gemini y el Telescopio Subaru. también en Hawaii. Ella y su equipo han utilizado estos telescopios tanto en el sitio en Hawai como de forma remota desde una sala de observación en el departamento de física y astronomía de UCLA.

Los agujeros negros tienen una densidad tan alta que nada puede escapar a su atracción gravitacional. ni siquiera luz. (No se pueden ver directamente, pero su influencia en las estrellas cercanas es visible y proporciona una firma. Una vez que algo cruza el "horizonte de sucesos" de un agujero negro, no podrá escapar. Sin embargo, la estrella S0-2 todavía está bastante lejos del horizonte de sucesos, incluso en su enfoque más cercano, para que sus fotones no entren.)