Mais de 100 anos depois que Albert Einstein publicou sua icônica teoria da relatividade geral, está começando a se desgastar nas bordas, disse Andrea Ghez, Professor de física e astronomia da UCLA. Agora, no teste mais abrangente de relatividade geral perto do monstruoso buraco negro no centro de nossa galáxia, Ghez e sua equipe de pesquisa relatam 25 de julho no jornal Ciência que a teoria da relatividade geral de Einstein sustenta.

"Einstein está certo, pelo menos por agora, "disse Ghez, um co-autor principal da pesquisa. "Podemos absolutamente descartar a lei da gravidade de Newton. Nossas observações são consistentes com a teoria da relatividade geral de Einstein. No entanto, sua teoria está definitivamente mostrando vulnerabilidade. Não pode explicar totalmente a gravidade dentro de um buraco negro, e em algum ponto precisaremos ir além da teoria de Einstein para uma teoria da gravidade mais abrangente que explique o que é um buraco negro. "

A teoria da relatividade geral de Einstein de 1915 afirma que o que percebemos como a força da gravidade surge da curvatura do espaço e do tempo. O cientista propôs que objetos como o sol e a Terra mudem essa geometria. A teoria de Einstein é a melhor descrição de como a gravidade funciona, disse Ghez, cuja equipe de astrônomos liderados pela UCLA fez medições diretas do fenômeno perto de um buraco negro supermassivo - a pesquisa que Ghez descreve como "astrofísica extrema".

As leis da física, incluindo gravidade, deve ser válido em todos os lugares do universo, disse Ghez, que acrescentou que sua equipe de pesquisa é um dos únicos dois grupos no mundo a assistir uma estrela conhecida como S0-2 fazer uma órbita completa em três dimensões ao redor do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea. A órbita completa leva 16 anos, e a massa do buraco negro é cerca de quatro milhões de vezes a do sol.

Os pesquisadores dizem que seu trabalho é o estudo mais detalhado já realizado sobre o buraco negro supermassivo e a teoria da relatividade geral de Einstein.

Os principais dados da pesquisa foram espectros que a equipe de Ghez analisou neste mês de abril, Maio e setembro, como sua "estrela favorita", se aproximou mais do enorme buraco negro. Spectra, que Ghez descreveu como o "arco-íris de luz" das estrelas, mostram a intensidade da luz e oferecem informações importantes sobre a estrela da qual a luz viaja. Os espectros também mostram a composição da estrela. Esses dados foram combinados com medições que Ghez e sua equipe fizeram nos últimos 24 anos.

Spectra — coletado no W.M. Observatório Keck no Havaí usando um espectrógrafo construído na UCLA por uma equipe liderada pelo colega James Larkin - fornecer a terceira dimensão, revelando o movimento da estrela em um nível de precisão não atingido anteriormente. (Imagens da estrela que os pesquisadores tiraram no Observatório Keck fornecem as outras duas dimensões.) O instrumento de Larkin pega luz de uma estrela e a dispersa, semelhante à forma como as gotas de chuva dispersam a luz do sol para criar um arco-íris, Ghez disse.

"O que há de tão especial em S0-2 é que temos sua órbita completa em três dimensões, "disse Ghez, que detém a cadeira Lauren B. Leichtman e Arthur E. Levine em Astrofísica. "É isso que nos dá a passagem de entrada para os testes da relatividade geral. Perguntamos como a gravidade se comporta perto de um buraco negro supermassivo e se a teoria de Einstein está nos contando a história completa. Ver as estrelas passando por sua órbita completa é a primeira oportunidade de testar os fundamentos física usando os movimentos dessas estrelas. "

A equipe de pesquisa de Ghez foi capaz de ver a mistura de espaço e tempo perto do buraco negro supermassivo. "Na versão da gravidade de Newton, espaço e tempo são separados, e não se misture; sob Einstein, eles ficam completamente misturados perto de um buraco negro, " ela disse.

"Fazer uma medição de tão fundamental importância exigiu anos de observação paciente, habilitado por tecnologia de ponta, "disse Richard Green, diretor da divisão de ciências astronômicas da National Science Foundation. Por mais de duas décadas, a divisão apoiou Ghez, junto com vários dos elementos técnicos essenciais para a descoberta da equipe de pesquisa. "Por meio de seus esforços rigorosos, Ghez e seus colaboradores produziram uma validação de alto significado da ideia de Einstein sobre a forte gravidade. "

O diretor do Observatório Keck, Hilton Lewis, chamou Ghez de "um de nossos usuários Keck mais apaixonados e tenazes". "Sua última pesquisa inovadora, " ele disse, "é o culminar de um compromisso inabalável nas últimas duas décadas para desvendar os mistérios do buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia, a Via Láctea."

Os pesquisadores estudaram fótons - partículas de luz - enquanto viajavam de S0-2 para a Terra. S0-2 se move ao redor do buraco negro a velocidades alucinantes de mais de 16 milhões de milhas por hora em sua abordagem mais próxima. Einstein relatou que nesta região perto do buraco negro, os fótons precisam fazer um trabalho extra. Seu comprimento de onda quando deixam a estrela não depende apenas de quão rápido a estrela está se movendo, mas também em quanta energia os fótons gastam para escapar do poderoso campo gravitacional do buraco negro. Perto de um buraco negro, a gravidade é muito mais forte do que na Terra.

Ghez teve a oportunidade de apresentar dados parciais no verão passado, mas optou por não fazê-lo para que sua equipe pudesse analisar minuciosamente os dados primeiro. "Estamos aprendendo como a gravidade funciona. É uma das quatro forças fundamentais e a que menos testamos, "disse ela." Há muitas regiões onde simplesmente não perguntamos, como a gravidade funciona aqui? É fácil ter excesso de confiança e há muitas maneiras de interpretar mal os dados, muitas maneiras que pequenos erros podem se acumular em erros significativos, é por isso que não apressamos nossa análise. "

Ghez, um ganhador da MacArthur "Genius" Fellowship em 2008, estuda mais de 3, 000 estrelas que orbitam o buraco negro supermassivo. Centenas deles são jovens, ela disse, em uma região onde os astrônomos não esperavam vê-los.

Demora 26, 000 anos para que os fótons de S0-2 atinjam a Terra. "Estamos tão animados, e tem se preparado há anos para fazer essas medições, "disse Ghez, que dirige o UCLA Galactic Center Group. "Para nós, é visceral, é agora, mas realmente aconteceu 26, 000 anos atrás! "

Este é o primeiro de muitos testes de relatividade geral que a equipe de pesquisa de Ghez conduzirá em estrelas próximas ao buraco negro supermassivo. Entre as estrelas que mais a interessam está S0-102, que tem a órbita mais curta, levando 11 anos e meio para completar uma órbita completa ao redor do buraco negro. A maioria das estrelas estudadas por Ghez têm órbitas de muito mais tempo do que a vida humana.

A equipe de Ghez fez medições a cada quatro noites durante períodos cruciais em 2018 usando o Observatório Keck - que fica no topo do vulcão Mauna Kea adormecido do Havaí e abriga um dos maiores e mais importantes telescópios ópticos e infravermelhos do mundo. As medições também são feitas com um telescópio infravermelho óptico no Observatório Gemini e no Telescópio Subaru, também no Havaí. Ela e sua equipe usaram esses telescópios no Havaí e remotamente de uma sala de observação no departamento de física e astronomia da UCLA.

Os buracos negros têm uma densidade tão alta que nada pode escapar de sua atração gravitacional, nem mesmo luz. (Eles não podem ser vistos diretamente, mas sua influência nas estrelas próximas é visível e fornece uma assinatura. Uma vez que algo cruza o "horizonte de eventos" de um buraco negro, não será capaz de escapar. Contudo, a estrela S0-2 ainda está um pouco longe do horizonte de eventos, mesmo em sua abordagem mais próxima, para que seus fótons não sejam atraídos.)