Più di 100 anni dopo che Albert Einstein pubblicò la sua iconica teoria della relatività generale, comincia a sfilacciarsi ai bordi, ha detto Andrea Ghez, Professore di fisica e astronomia all'UCLA. Ora, nel test più completo di relatività generale vicino al mostruoso buco nero al centro della nostra galassia, Ghez e il suo gruppo di ricerca riportano il 25 luglio sulla rivista Scienza che la teoria della relatività generale di Einstein regge.

"Einstein ha ragione, almeno per ora, " disse Ghez, co-autore della ricerca. "Possiamo assolutamente escludere la legge di gravità di Newton. Le nostre osservazioni sono coerenti con la teoria della relatività generale di Einstein. Tuttavia, la sua teoria sta decisamente mostrando vulnerabilità. Non può spiegare completamente la gravità all'interno di un buco nero, e ad un certo punto dovremo andare oltre la teoria di Einstein verso una teoria della gravità più completa che spieghi cos'è un buco nero".

La teoria della relatività generale di Einstein del 1915 sostiene che ciò che percepiamo come forza di gravità deriva dalla curvatura dello spazio e del tempo. Lo scienziato ha proposto che oggetti come il sole e la Terra cambino questa geometria. La teoria di Einstein è la migliore descrizione di come funziona la gravità, ha detto Ghez, il cui team di astronomi guidato dall'UCLA ha effettuato misurazioni dirette del fenomeno vicino a un buco nero supermassiccio, una ricerca che Ghez descrive come "astrofisica estrema".

Le leggi della fisica, compresa la gravità, dovrebbe essere valido ovunque nell'universo, ha detto Ghez, che ha aggiunto che il suo gruppo di ricerca è uno dei due soli gruppi al mondo ad osservare una stella nota come S0-2 compiere un'orbita completa in tre dimensioni attorno al buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. L'intera orbita dura 16 anni, e la massa del buco nero è circa quattro milioni di volte quella del sole.

I ricercatori affermano che il loro lavoro è lo studio più dettagliato mai condotto sul buco nero supermassiccio e sulla teoria della relatività generale di Einstein.

I dati chiave della ricerca erano gli spettri che il team di Ghez ha analizzato questo aprile, Maggio e settembre mentre la sua "stella preferita" si avvicinava di più all'enorme buco nero. spettri, che Ghez descrisse come "l'arcobaleno di luce" delle stelle, mostrano l'intensità della luce e offrono importanti informazioni sulla stella da cui proviene la luce. Gli spettri mostrano anche la composizione della stella. Questi dati sono stati combinati con le misurazioni che Ghez e il suo team hanno effettuato negli ultimi 24 anni.

Spettri—raccolti al W.M. Keck Observatory alle Hawaii utilizzando uno spettrografo costruito all'UCLA da un team guidato dal collega James Larkin, fornisce la terza dimensione, rivelando il moto della stella ad un livello di precisione mai raggiunto prima. (Le immagini della stella scattate dai ricercatori all'Osservatorio Keck forniscono le altre due dimensioni.) Lo strumento di Larkin prende la luce da una stella e la disperde, simile al modo in cui le gocce di pioggia disperdono la luce del sole per creare un arcobaleno, ha detto Ghez.

"La cosa speciale di S0-2 è che abbiamo la sua orbita completa in tre dimensioni, " disse Ghez, che detiene la cattedra di astrofisica Lauren B. Leichtman e Arthur E. Levine. "Questo è ciò che ci dà il biglietto d'ingresso ai test della relatività generale. Abbiamo chiesto come si comporta la gravità vicino a un buco nero supermassiccio e se la teoria di Einstein ci sta raccontando tutta la storia. Vedere le stelle attraversare la loro orbita completa offre la prima opportunità di testare i fondamentali fisica usando i movimenti di queste stelle."

Il team di ricerca di Ghez è stato in grado di vedere la commistione di spazio e tempo vicino al buco nero supermassiccio. "Nella versione della gravità di Newton, spazio e tempo sono separati, e non mescolarti; sotto Einstein, si mescolano completamente vicino a un buco nero, " lei disse.

"Effettuare una misurazione di così fondamentale importanza ha richiesto anni di paziente osservazione, grazie a tecnologie all'avanguardia, " ha detto Richard Green, direttore della divisione di scienze astronomiche della National Science Foundation. Per più di due decenni, la divisione ha sostenuto Ghez, insieme a molti degli elementi tecnici critici per la scoperta del gruppo di ricerca. "Attraverso i loro sforzi rigorosi, Ghez e i suoi collaboratori hanno prodotto una convalida altamente significativa dell'idea di Einstein sulla gravità forte".

Il direttore dell'Osservatorio Keck Hilton Lewis ha definito Ghez "uno dei nostri utenti Keck più appassionati e tenaci". "La sua ultima ricerca rivoluzionaria, " Egli ha detto, "è il culmine dell'impegno incrollabile degli ultimi due decenni per svelare i misteri del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, la Via Lattea".

I ricercatori hanno studiato i fotoni, particelle di luce, mentre viaggiavano da S0-2 alla Terra. S0-2 si muove intorno al buco nero a velocità vertiginose di oltre 16 milioni di miglia all'ora al suo massimo avvicinamento. Einstein aveva riferito che in questa regione vicina al buco nero, i fotoni devono fare un lavoro extra. La loro lunghezza d'onda quando lasciano la stella dipende non solo dalla velocità con cui si muove la stella, ma anche su quanta energia consumano i fotoni per sfuggire al potente campo gravitazionale del buco nero. Vicino a un buco nero, la gravità è molto più forte che sulla Terra.

Ghez ha avuto l'opportunità di presentare dati parziali la scorsa estate, ma ha scelto di non farlo in modo che il suo team potesse prima analizzare a fondo i dati. "Stiamo imparando come funziona la gravità. È una delle quattro forze fondamentali e quella che abbiamo testato di meno, " ha detto. "Ci sono molte regioni in cui semplicemente non abbiamo chiesto, come funziona la gravità qui? È facile essere troppo sicuri di sé e ci sono molti modi per interpretare erroneamente i dati, molti modi in cui piccoli errori possono accumularsi in errori significativi, ecco perché non abbiamo affrettato la nostra analisi".

Ghez, un destinatario 2008 della borsa di studio MacArthur "Genius", studia più di 3, 000 stelle che orbitano attorno al buco nero supermassiccio. Centinaia di loro sono giovani, lei disse, in una regione dove gli astronomi non si aspettavano di vederli.

ci vogliono 26, 000 anni affinché i fotoni di S0-2 raggiungano la Terra. "Siamo così emozionati, e ci stiamo preparando da anni a fare queste misurazioni, " disse Ghez, che dirige l'UCLA Galactic Center Group. "Per noi, è viscerale, è adesso, ma in realtà è successo 26, 000 anni fa!"

Questo è il primo di molti test di relatività generale che il team di ricerca di Ghez condurrà sulle stelle vicino al buco nero supermassiccio. Tra le stelle che più la interessano c'è S0-102, che ha l'orbita più corta, impiegando 11 anni e mezzo per completare un'orbita completa attorno al buco nero. La maggior parte delle stelle studiate da Ghez ha orbite molto più lunghe della durata di una vita umana.

Il team di Ghez ha effettuato misurazioni circa ogni quattro notti durante periodi cruciali nel 2018 utilizzando l'Osservatorio Keck, che si trova in cima al vulcano dormiente Mauna Kea delle Hawaii e ospita uno dei più grandi e importanti telescopi ottici e infrarossi del mondo. Le misurazioni vengono effettuate anche con un telescopio ottico-infrarosso presso l'Osservatorio Gemini e il Telescopio Subaru, anche alle Hawaii. Lei e il suo team hanno utilizzato questi telescopi sia in loco alle Hawaii che in remoto da una sala di osservazione nel dipartimento di fisica e astronomia dell'UCLA.

I buchi neri hanno una densità così elevata che nulla può sfuggire alla loro attrazione gravitazionale, nemmeno luce. (Non possono essere visti direttamente, ma la loro influenza sulle stelle vicine è visibile e fornisce una firma. Una volta che qualcosa attraversa "l'orizzonte degli eventi" di un buco nero, non potrà fuggire. Però, la stella S0-2 è ancora piuttosto lontana dall'orizzonte degli eventi, anche al suo più vicino approccio, quindi i suoi fotoni non vengono tirati dentro.)