Ett internationellt team ledd av forskare vid Oxford University Physics har visat att Einstein hade rätt i en nyckelförutsägelse om svarta hål. Genom att använda röntgendata för att testa Einsteins gravitationsteori ger deras studie det första observationsbeviset på att det finns en "störningsregion" runt svarta hål:ett område där materia slutar cirkla runt hålet och istället faller rakt in. Dessutom fann teamet att denna region utövar några av de starkaste gravitationskrafterna som hittills identifierats i galaxen. Resultaten har publicerats i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
De nya rönen är en del av omfattande undersökningar av enastående mysterier kring svarta hål av astrofysiker vid Oxford University Physics. Denna studie fokuserade på mindre svarta hål relativt nära jorden, med hjälp av röntgendata som samlats in från NASA:s rymdbaserade Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) och Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) teleskop. Senare i år hoppas ett andra Oxford-team komma närmare inspelningen av de första videorna av större, mer avlägsna svarta hål som en del av ett europeiskt initiativ.
Till skillnad från Newtons gravitationsteori säger Einsteins teori att tillräckligt nära ett svart hål är det omöjligt för partiklar att säkert följa cirkulära banor. Istället "doppar" de snabbt mot det svarta hålet nära ljusets hastighet. Oxford-studien utvärderade denna region på djupet för första gången, med hjälp av röntgendata för att få en bättre förståelse av kraften som genereras av svarta hål.
"Detta är den första titt på hur plasma, skalat från den yttre kanten av en stjärna, genomgår sitt sista fall in i mitten av ett svart hål, en process som sker i ett system runt tio tusen ljusår bort", säger Dr Andrew Mummery , vid Oxford University Physics, som ledde studien. "Det som är riktigt spännande är att det finns många svarta hål i galaxen, och vi har nu en kraftfull ny teknik för att använda dem för att studera de starkaste kända gravitationsfälten."
"Einsteins teori förutspådde att det här sista steget skulle existera, men det här är första gången vi har kunnat visa att det händer", fortsatte Dr. Mummery. "Tänk på det som en flod som förvandlas till ett vattenfall - hittills har vi tittat på floden. Det här är vår första syn på vattenfallet."
"Vi tror att detta representerar en spännande ny utveckling i studien av svarta hål, vilket gör att vi kan undersöka det här sista området runt dem. Först då kan vi helt förstå gravitationskraften," tillade Mummery. "Denna sista störningen av plasma sker i själva kanten av ett svart hål och visar att materia reagerar på gravitationen i sin starkaste möjliga form."
Astrofysiker har under en tid försökt förstå vad som händer nära det svarta hålets yta och gör detta genom att studera skivor av material som kretsar runt dem. Det finns en sista region av rumtiden, känd som störtningsregionen, där det är omöjligt att stoppa en sista nedstigning i det svarta hålet och den omgivande vätskan är i praktiken dömd.
Debatt mellan astrofysiker har pågått i många decennier om huruvida det så kallade störtande området skulle kunna upptäckas. Oxford-teamet har ägnat de senaste åren åt att utveckla modeller för det och, i den nyligen publicerade studien, visar de sin första bekräftade upptäckt som hittades med hjälp av röntgenteleskop och data från den internationella rymdstationen.
Medan den här studien fokuserar på små svarta hål närmare jorden, är ett andra studieteam från Oxford University Physics en del av ett europeiskt initiativ för att bygga ett nytt teleskop, The Africa Millimeter Telescope, vilket avsevärt skulle förbättra vår förmåga att göra direkta bilder av svarta hål . Över 10 miljoner euro finansiering har redan säkrats, varav en del kommer att stödja flera första doktorer i astrofysik för University of Namibia, i nära samarbete med Oxford Physics University-teamet.
Det nya teleskopet förväntas möjliggöra observation och filmning för första gången av stora svarta hål i mitten av vår egen galax, såväl som långt bortom. Precis som med de små svarta hålen förväntas stora svarta hål ha en så kallad "händelsehorisont", som drar material från rymden mot sitt centrum i en spiral när det svarta hålet roterar. Dessa representerar nästan ofattbara energikällor och teamet hoppas kunna observera – och filma – dem rotera för första gången.
Studien "Continuum emission from within the plunging region of black hole discs" har publicerats i Monthly Notices of the Astronomical Society.
