Más de 100 años después, la teoría general de la relatividad, está empezando a tambalearse, pero sigue en pie

Una estrella conocida como S0-2 (el objeto azul y verde en la representación de este artista) se acercó más al agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea en 2018.

Un análisis detallado dirigido por UCLA de la órbita de una estrella cerca de un agujero negro supermasivo da una mirada al comportamiento de la gravedad 

Más de 100 años después de que Albert Einstein publicara su icónica teoría general de la relatividad, está empezando a desgastarse, dijo Andrea Ghez, profesora de física y astronomía de la 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 Science que sostiene la teoría general de la relatividad de Einstein. 

"Einstein tiene razón, al menos por ahora", dijo Ghez, uno de los autores principales de la investigación. "Podemos descartar absolutamente la ley de gravedad de Newton. Nuestras observaciones son consistentes con la teoría general de la relatividad 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 movernos". más allá de la teoría de Einstein a una teoría de la gravedad más completa que explica qué es un agujero negro ". 

Estrella orbitando el agujero negro supermasivo. Crédito: Nicolle Fuller/National Science Foundation. 

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

Andrea Ghez: Sintiendo el tirón de la gravedad. Video de Julie Winokur

Las leyes de la física, incluida la gravedad, deberían ser válidas en cualquier parte del universo, dijo Ghez, quien agregó que su equipo de investigación es uno de los dos grupos en el mundo que observan a una estrella conocida como S0-2 realiza 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 que se haya realizado de un agujero negro supermasivo y la teoría general de la relatividad de Einstein.

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

Los espectros, recolectados en el Observatorio WM Keck en Hawai utilizando un espectrógrafo construido en UCLA por un equipo liderado por su colega James Larkin, proporcionan la tercera dimensión, revelando el movimiento de la estrella a un nivel de precisión que no se había alcanzado anteriormente. (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, de manera similar a la forma en que las gotas de lluvia dispersan la luz del sol para crear un arco iris, dijo Ghez. 

"Lo que es tan especial acerca de S0-2 es que tenemos su órbita completa en tres dimensiones", dijo Ghez, quien ocupa el cargo de Lauren B. Leichtman y Arthur E. Levine Chair en Astrofísica. "Eso es lo que nos da el billete 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 a las estrellas pasar por su órbita completa ofrece la primera oportunidad de probar lo fundamental. Física utilizando los movimientos de estas estrellas". 

Animación por Zina Deretsky / National Science Foundation

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 mezclan; bajo Einstein, se mezclan completamente cerca de un agujero negro", dijo. 

"Realizar una medición de tal importancia fundamental ha requerido años de observación por parte del paciente, habilitada por tecnología de punta", dijo Richard Green, director de la división de ciencias astronómicas de la Fundación Nacional de Ciencia. 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. "A través de sus esfuerzos rigurosos, Ghez y sus colaboradores han producido una validación de gran importancia de la idea de Einstein sobre la gravedad fuerte". 

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

Probando la teoría de Einstein. Crédito: Zina Deretsky/National Science Foundation.

Los investigadores estudiaron los fotones (partículas de luz) mientras viajaban desde S0-2 hasta la Tierra. S0-2 se mueve alrededor del agujero negro a velocidades de más de 16 millones de millas por hora en su enfoque más cercano. Einstein había informado que, en esta región cercana al agujero negro, los fotones tienen que hacer un trabajo adicional. Su longitud de onda a medida que salen de la estrella depende no solo de la velocidad con la que se mueve la estrella, sino también de 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. 

A Ghez se le dio la oportunidad de presentar datos parciales el verano pasado, pero decidió no hacerlo para que su equipo pudiera analizarlos a fondo primero. "Estamos aprendiendo cómo funciona la gravedad. Es una de las cuatro fuerzas fundamentales y la que menos hemos probado", dijo. "Hay muchas regiones en las que simplemente no hemos preguntado, ¿cómo funciona la gravedad aquí? Es fácil confiar demasiado y hay muchas maneras de malinterpretar los datos, muchas formas en que pequeños errores pueden acumularse en errores significativos, por eso lo hicimos. No apresure nuestro análisis ". 

Luz del centro de la galaxia. Luz azul. Captura la órbita de una estrella con esta colorida visualización interactiva de la web. Crédito: UCLA.

Ghez, que recibió en 2008 la beca MacArthur "Genius", estudia más de 3.000 estrellas que orbitan alrededor del agujero negro supermasivo. Cientos de ellas son jóvenes, dijo, en una región donde los astrónomos no esperaban verlas. 

A los fotones de S0-2 les lleva 26.000 años alcanzar 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 hace 26,000 años!" 

Esta es la primera de muchas pruebas de relatividad general que el equipo de investigación de Ghez llevará a cabo sobre estrellas cerca del agujero negro supermasivo. Entre las estrellas que más le interesan está S0-102, que tiene la órbita más corta, y tarda 11 años y medio en completar una órbita alrededor del agujero negro. La mayoría de las estrellas que los estudios de Ghez tienen órbitas son mucho más largas que la vida humana. 

El equipo de Ghez tomó mediciones aproximadamente cada cuatro noches durante períodos cruciales en 2018 utilizando el Observatorio Keck, que se encuentra sobre el inactivo volcán Mauna Kea de Hawai y alberga uno de los telescopios ópticos e infrarrojos más importantes del mundo. Las mediciones también se toman con un telescopio óptico infrarrojo en el Observatorio Gemini y el Telescopio Subaru, también en Hawai. Ella y su equipo han utilizado estos telescopios tanto in situ 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 de su fuerza gravitacional, ni siquiera la 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 eventos" de un agujero negro, no podrá escapar. Sin embargo, la estrella S0-2 sigue siendo bastante lejos del horizonte de eventos, incluso en su enfoque más cercano, por lo que sus fotones no se detienen.) 

Fuente: Universidad de California, Los Angeles,