自从阿尔伯特·爱因斯坦提出他的广义相对论以来，一个世纪以来，物理学家们通过广泛的实验对其进行了严格的测试，而它经受住了所有这些考验。但这些实验是在相对较弱的引力环境中进行的。因此，科学家们一直想知道，该理论在更极端的条件下，例如黑洞周围的区域，如何描述宇宙。为此，一项新的研究提出了一种检验该理论极限的方法：研究人员已经确定，如果广义相对论在黑洞附近失效，那么其影响可能会在从坠落物质中爆发出的X射线中检测到。该研究发表在7月22日的《物理评论D》上。
根据广义相对论，我们体验到的引力现象是时空（三个空间维度和第四时间维度的组合）围绕质量弯曲的结果。物体的密度越大，它扭曲时空结构就越严重，其引力场就越强。在像黑洞这样的物体周围——这是爆炸的大质量恒星的残余物，它非常紧凑，以至于连光都无法逃脱它们的引力牵引——时空严重扭曲。物理学家利用相对论，以及所谓的无毛定理，该定理指出黑洞只有两个定义特征（质量和旋转），来预测时空如何围绕黑洞弯曲。他们称这种曲率为克尔解。
证明克尔解能够准确描述黑洞附近的的时空，将表明广义相对论即使在极端引力的环境中也依然成立。但到目前为止，还没有人能够证明克尔解的正确性。理想情况下，天体物理学家会记录一个物体在黑洞周围区域移动时的运动，以描述时空曲率的特征。但是一些黑洞的直径只有几公里，这在宇宙尺度上是很小的。科学家目前还无法从数光年之外追踪在如此狭小空间内移动的单个物体。
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尽管目前还没有观测证据表明相对论在黑洞内部失效，“但这并没有阻止理论家提出各种替代的[引力理论]，”英国剑桥大学天文研究所的天体物理学家乔纳森·盖尔说。这些替代理论产生了他们自己对时空曲率的描述，这与克尔解不同。
为了帮助确定相对论或其竞争对手之一是否真正描述了黑洞周围时空的扭曲，盖尔和该研究所的天体物理学家克里斯托弗·摩尔使用计算机建模来模拟几个时空曲线以某种方式偏离克尔解所描述的地形的黑洞。他们称这些偏差为“凸起”。该团队想知道地球上的观测者是否可以检测到这些凸起黑洞周围的怪异曲率，因此他们在模拟黑洞的辐射中寻找凸起特征。当黑洞吞噬周围的物质时，该物质会发出X射线，这些X射线具有稍微不同的特性，具体取决于黑洞的引力场。
摩尔和盖尔模拟了具有特定引力替代理论中描述的凸起以及更普遍的一组各种变形黑洞的黑洞。“我们想做一些更通用的事情，因为如果广义相对论不正确，我们很可能没有想到正确的偏差，”盖尔说。研究人员将他们的凸起黑洞分为三类，每一类的凸起都逐渐变小：在第一类中，即使在远离黑洞的距离处，黑洞周围的时空曲率也与克尔解显着不同。在第二类和第三类中，凸起收缩得越来越快，摩尔解释说。
通过检查模拟的凸起黑洞产生的X射线，摩尔和盖尔确定了科学家可以在真实事物中检测到哪些变形，以及哪些变形会与其余符合相对论的宇宙融为一体。据摩尔说，该团队确定了四个凸起，所有这些凸起都以最慢的方式减小，科学家可以切实地检测到。了解与特定黑洞“凸起”相对应的X射线特征为科学家将来对黑洞进行X射线观测提供了有价值的参考。据未参与这项研究的亚利桑那大学天体物理学家迪米特里奥斯·普萨尔蒂斯说，欧洲航天局的雅典娜X射线天文台将在2028年发射时进行这些观测。
未参与这项研究的德克萨斯大学达拉斯分校的天体物理学家迈克·克斯登指出，由于摩尔和盖尔的黑洞凸起中只有少数几个在X射线辐射中发出危险信号，因此这项研究为建造引力波探测器提供了进一步的支持。引力波——时空中的涟漪——可以编码关于黑洞周围时空形状的信息。事实上，摩尔和盖尔计划发表一项关于使用引力波来测量他们模拟的黑洞凸起的可能性的后续研究。因此，即使X射线辐射没有揭示凸起黑洞附近广义相对论的失效，引力波也可能揭示。