Denna konstnärs intryck visar en stjärna som korsar händelsehorisonten för ett supermassivt svart hål som ligger i mitten av en galax. Det svarta hålet är så stort och massivt att tidvatteneffekterna på stjärnan är försumbara, och stjärnan sväljs hel. Effekterna av gravitationslinser som snedvrider stjärnans ljus visas inte här. Kredit:Mark A. Garlick/CfA
Astronomer vid University of Texas i Austin och Harvard University har satt en grundläggande princip om svarta hål på prov, visar att materien helt försvinner när den dras in. Deras resultat utgör ytterligare ett framgångsrikt test för Albert Einsteins allmänna relativitetsteori.
De flesta forskare är överens om att svarta hål, kosmiska enheter med så stor gravitation att ingenting kan undgå deras grepp, är omgivna av en så kallad händelsehorisont. När materia eller energi kommer tillräckligt nära det svarta hålet, den kan inte fly – den kommer att dras in. Även om den är allmänt uppfattad, förekomsten av händelsehorisonter har inte bevisats.
"Hela vår poäng här är att förvandla denna idé om en händelsehorisont till en experimentell vetenskap, och ta reda på om händelsehorisonter verkligen existerar eller inte, sa Pawan Kumar, en professor i astrofysik vid University of Texas i Austin.
Supermassiva svarta hål tros ligga i hjärtat av nästan alla galaxer. Men vissa teoretiker menar att det finns något annat där istället – inte ett svart hål, men ett ännu främmare supermassivt föremål som på något sätt har lyckats undvika gravitationskollaps till en singularitet omgiven av en händelsehorisont. Idén är baserad på modifierade teorier om allmän relativitet, Einsteins gravitationsteori.
Medan en singularitet inte har någon yta, det icke kollapsade föremålet skulle ha en hård yta. Så material som dras närmare - en stjärna, till exempel — skulle faktiskt inte falla i ett svart hål, men träffa den här hårda ytan och bli förstörd.
Det första i en sekvens av två konstnärsintryck som visar en enorm, massiv sfär i mitten av en galax, snarare än ett supermassivt svart hål. Här rör sig en stjärna mot och slår sedan in i sfärens hårda yta, slänga skräp. Kollisionen värmer upp kollisionsplatsen. Kredit:Mark A. Garlick/CfA
Kumar, hans doktorand Wenbin Lu, och Ramesh Narayan, en teoretiker från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, har kommit på ett test för att avgöra vilken idé som är korrekt.
"Vårt motiv är inte så mycket att fastställa att det finns en hård yta, " Kumar sa, "men att tänja på gränsen för kunskap och hitta konkreta bevis för att verkligen, det finns en händelsehorisont runt svarta hål."
Teamet kom på vad ett teleskop skulle se när en stjärna träffade den hårda ytan på ett supermassivt föremål i mitten av en närliggande galax:Stjärnans gas skulle omsluta föremålet, lyser i månader, kanske till och med år.
När de väl visste vad de skulle leta efter, teamet kom på hur ofta detta skulle ses i det närliggande universum, om hårdytteorin är sann.
"Vi uppskattade hastigheten för stjärnor som faller på supermassiva svarta hål, " sa Lu. "Nästan varje galax har en. Vi betraktade bara de mest massiva, som väger cirka 100 miljoner solmassor eller mer. Det finns ungefär en miljon av dem inom några miljarder ljusår från jorden."
I denna andra konstnärs intryck visas en enorm sfär i mitten av en galax efter att en stjärna har kolliderat med den. Enorma mängder värme och en dramatisk ökning av sfärens ljusstyrka genereras av denna händelse. Bristen på observation av sådana flare från galaxernas centrum gör att detta hypotetiska scenario nästan helt utesluts. Kredit:Mark A. Garlick/CfA
De sökte sedan i ett nyligen arkiv av teleskopobservationer. Pan-STARRS, ett 1,8-meter teleskop på Hawaii, avslutade nyligen ett projekt för att undersöka hälften av himlen på norra halvklotet. Teleskopet skannade området upprepade gånger under en period av 3,5 år, letar efter "transienter" - saker som lyser ett tag och sedan bleknar. Deras mål var att hitta transienter med den förväntade ljussignaturen av en stjärna som faller mot ett supermassivt föremål och träffar en hård yta.
"Med tanke på hastigheten för stjärnor som faller på svarta hål och antalet densitet av svarta hål i det närliggande universum, vi beräknade hur många sådana transienter Pan-STARRS borde ha upptäckt under en driftperiod på 3,5 år. Det visar sig att det borde ha upptäckt mer än 10 av dem, om teorin om hårda ytor är sann, " sa Lu.
De hittade inga.
"Vårt arbete innebär att vissa, och kanske alla, svarta hål har händelsehorisonter och det materialet försvinner verkligen från det observerbara universum när det dras in i dessa exotiska föremål, som vi förväntat oss i decennier, ", sa Narayan. "Allmän relativitet har klarat ännu ett kritiskt test."
Nu föreslår teamet att man ska förbättra testet med ett ännu större teleskop:8,4-meters Large Synoptic Survey Telescope (LSST, nu under uppbyggnad i Chile). Som Pan-STARRS, LSST kommer att göra upprepade undersökningar av himlen över tiden, avslöjar transienter – men med mycket större känslighet.
Denna forskning har publicerats i juninumret av tidskriften Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society .
