Forskare föreslår en metod för att testa Einsteins allmänna relativitetsteori genom att analysera högupplösta bilder av svarta håls skuggor. Deras nya simuleringar tyder på att framtida framsteg inom teleskopteknik kan avslöja om alternativa gravitations teorier stämmer. Arbetet, ledd av forskare från Goethe University Frankfurt och Tsung-Dao Lee Institute, publiceras i Nature Astronomy.
Svärta hål, beskrivna som kosmiska glupskare som slukar allt inklusive ljus, har fotograferats av Event Horizon Telescope (EHT)-samarbetet, som fångat supermassiva svarta hål i galaxen M87 och Vintergatan. Dessa bilder visar inte de svarta hålen själva, utan den heta materia som omger dem. "Det du ser på dessa bilder är inte det svarta hålet självt, utan snarare den heta materian i dess omedelbara närhet," förklarar prof. Luciano Rezzolla vid Goethe University Frankfurt, vars team bidrog till upptäckten. När materia roterar utanför händelsehorisonten innan den dras in, avger den detekterbara ljussignaler.
Einsteins allmänna relativitetsteori, grundläggande i över ett sekel, förutsäger svarta hål och deras händelsehorisonter, bortom vilka ingenting undgår. Andra hypotetiska teorier förutsäger dock också svarta hål men kan kräva specifika materiegenskaper eller bryta mot kända fysiklagar. "Det finns dock också andra, fortfarande hypotetiska teorier som lika gärna förutsäger svarta håls existens," noterar Rezzolla.
I en studie publicerad i Nature Astronomy skisserar Rezzolla och kollegor från Tsung-Dao Lee Institute i Shanghai ett ramverk för att testa dessa alternativ med hjälp av bilder av svarta håls skuggor. Detta kräver högupplösta bilder för att mäta skuggornas radier exakt och teoretiska modeller av avvikelser från Einsteins förutsägelser. Teamet använde tredimensionella simuleringar för att modellera materia och magnetfält runt svarta hål, och genererade syntetiska bilder av glödande plasma.
"Den centrala frågan var: Hur signifikant skiljer sig bilder av svarta hål åt mellan olika teorier?" säger huvudförfattaren Akhil Uniyal vid Tsung-Dao Lee Institute. De identifierade mönster som framtida skarpare bilder skulle kunna skilja på, även om EHT:s nuvarande upplösning är otillräcklig. En universell beskrivning av svarta hål utvecklades för att omfatta olika ramverk.
Hittills stämmer observationerna med Einsteins teori och utesluter nakna singulariteter och maskhål i M87- och Vintergatans svarta hål. "Ett av EHT-samarbetets viktigaste bidrag till astrofysiken är att förvandla svarta hål till testbara objekt," betonar Rezzolla. "Även den etablerade teorin måste testas kontinuerligt, särskilt med extrema objekt som svarta hål."
EHT, som kombinerar globala radioteleskop för att fungera som ett jordstort instrument, planerar utvidgningar inklusive ett rymdteleskop för bättre upplösning—potentiellt under en miljondel av en bågsekund—för att möjliggöra definitiva tester.