Allmän relativitetsteori, Einsteins gravitationsteori, testas bäst när det är mest extremt – nära händelsehorisonten för ett svart hål. Denna regim är tillgänglig genom observationer av skuggor av supermassiva svarta hål och gravitationsvågor – krusningar i vårt universums väv från kolliderande svarta hål av stjärnmassa. För första gången, forskare från ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), Event Horizon Telescope (EHT) och LIGO Scientific Collaboration, har skisserat ett konsekvent tillvägagångssätt för att utforska avvikelser från Einsteins allmänna relativitetsteori i dessa två olika observationer. Denna forskning, publicerad i Fysisk granskning D , bekräftar att Einsteins teori korrekt beskriver nuvarande observationer av svarta hål, från den minsta till den största.

En av de kännetecknande förutsägelserna från den allmänna relativitetsteorien är förekomsten av svarta hål. Teorin ger en specifik beskrivning av ett svart håls effekt på rum-tidens struktur:ett fyrdimensionellt nät som kodar för hur objekt rör sig genom rum och tid. Känd som Kerr-mått , denna förutsägelse kan relateras till böjningen av ljus runt ett svart hål, eller omloppsrörelsen hos binära svarta hål. I den här studien, avvikelserna från Kerr-metriken var kopplade till funktioner i dessa svarta hålsobservationer.

Under 2019, Event Horizon Telescope genererade siluettbilder av det svarta hålet i mitten av galaxen M87, med en massa flera miljarder gånger vår sols massa. Skuggans vinkelstorlek är relaterad till massan av det svarta hålet, dess avstånd från jorden och möjliga avvikelser från den allmänna relativitetens förutsägelse. Dessa avvikelser kan beräknas från vetenskapliga data, inklusive tidigare mätningar av det svarta hålets massa och avstånd.

Under tiden, sedan 2015 har gravitationsvågobservatorierna LIGO och Jungfrun detekterat gravitationsvågor från sammanslagna svarta hål från stjärnmassan. Genom att mäta gravitationsvågorna från de kolliderande svarta hålen, forskare kan utforska de svarta hålens mystiska natur och metrik. Denna studie fokuserade på avvikelser från allmän relativitet som uppträder som små förändringar av tonhöjden och intensiteten hos gravitationsvågorna, innan de två svarta hålen kolliderar och smälter samman.

Genom att kombinera mätningarna av skuggan av det supermassiva svarta hålet i M87 och gravitationsvågor från ett par binära detekteringar av svarta hål, kallas GW170608 och GW190924, forskarna fann inga bevis för avvikelser från generell relativitetsteori. Medförfattare till studien och OzGrav forskningsassistent Ethan Payne (Australian National University) förklarade att de två mätningarna gav liknande, konsekventa begränsningar. "Olika storlekar av svarta hål kan hjälpa till att bryta det komplementära beteendet som ses här mellan EHT- och LIGO/Jungfru-observationer, ", sa Payne. "Denna studie lägger grunden för framtida mätningar av avvikelser från Kerr-måttet."