A norte-americana disparou um serviço até ao T que Svitolina não conseguiu aguentar para terminar a competição de alta qualidade e o seu fascinante terceiro set de 54 minutos.
Svitolina, que regressou da pausa para a maternidade em abril e chegou às meias-finais de Wimbledon no mês passado, esforçou-se para evitar dois match points no seu último jogo de serviço, mas não conseguiu converter as suas oportunidades de break point no set decisivo.
A ucraniana tem produzido resultados impressionantes, incluindo uma vitória sobre a número um mundial Iga Swiatek no All England Club em julho, apesar da turbulência causada pela invasão da Ucrânia pela Rússia.
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"Tenho muito respeito por ela", disse Pegula numa entrevista no campo: "Ela acabou de ter um bebé e, com tudo o que está a passar no seu país, disse-lhe que sinto que ela voltou como uma nova pessoa. Consigo ver a competitividade nela e sempre respeitei muito isso."
Pegula, que venceu o evento WTA 500 em 2019, melhorou para 3-1 na vida contra a wildcard Svitolina e enfrentará a seguir a grega Maria Sakkari ou a americana Madison Keys, que jogam os quartos de final ainda na sexta-feira.