Svarta hål betraktas som kosmiska gluttar, från vilka inte ens ljus kan undkomma. Det är också därför som bilderna av svarta hål i centrum av galaxen M87 och vår egen Vintergatan, som publicerades för några år sedan av Event Horizon Telescope (EHT)-samarbetet, var banbrytande.
”Det du ser på dessa bilder är inte själva det svarta hålet, utan snarare den heta materian i dess omedelbara närhet”, förklarar professor Luciano Rezzolla, som tillsammans med sitt team vid Goethe-universitetet i Frankfurt spelade en nyckelroll i upptäckterna.
”Så länge materian fortfarande roterar utanför händelsehorisonten – innan den oundvikligen dras in – kan den avge slutliga ljussignaler som vi i princip kan upptäcka.”
Bilderna visar i huvudsak skuggan av det svarta hålet. Denna upptäckt öppnar nu möjligheten att noggrant undersöka teorierna bakom dessa extrema kosmiska objekt.
Hittills anses Einsteins allmänna relativitetsteori vara den gyllene standarden inom fysiken när det gäller beskrivningen av rum och tid. Den förutsäger existensen av svarta hål som speciella lösningar, tillsammans med alla deras särdrag. Detta inkluderar händelsehorisonten, bortom vilken allt – inklusive ljus – försvinner.
”Det finns dock också andra, fortfarande hypotetiska teorier som likaså förutsäger förekomsten av svarta hål. Vissa av dessa teorier kräver förekomsten av materia med mycket specifika egenskaper eller till och med brott mot de fysikaliska lagar som vi känner till idag”, säger Rezzolla.
Tillsammans med kollegor från Tsung-Dao Lee Institute i Shanghai (Kina) presenterade fysikern från Frankfurt en ny möjlighet att testa sådana alternativa teorier i tidskriften Nature Astronomy.
Hittills har det inte funnits några solida data som gör det möjligt att varken motbevisa eller bekräfta dessa teorier – något som forskarna planerar att ändra på i framtiden genom att använda skuggbilder av supermassiva svarta hål.
”Detta kräver två saker”, förklarar Rezzolla. ”Å ena sidan högupplösta skuggbilder av svarta hål för att bestämma deras radie så exakt som möjligt, och å andra sidan en teoretisk beskrivning av hur starkt de olika tillvägagångssätten avviker från Einsteins relativitetsteori.”
Forskarna har nu presenterat en omfattande beskrivning av hur olika typer av hypotetiska svarta hål avviker från relativitetsteorin och hur detta återspeglas i skuggbilderna.
För att undersöka detta genomförde teamet mycket komplexa tredimensionella datorsimuleringar som replikerar beteendet hos materia och magnetfält i den krökta rumtiden som omger svarta hål. Från dessa simuleringar genererade forskarna sedan syntetiska bilder av det glödande plasmat.
”Den centrala frågan var: Hur mycket skiljer sig bilderna av svarta hål åt mellan olika teorier?”, förklarar huvudförfattaren Akhil Uniyal från Tsung-Dao Lee Institute.
Utifrån detta kunde de härleda tydliga kriterier som, med framtida högupplösta mätningar, ofta skulle kunna göra det möjligt att fatta ett beslut till förmån för en specifik teori. Medan skillnaderna i bilderna fortfarande är för små med EHT:s nuvarande upplösning, ökar de systematiskt med förbättrad upplösning.
För att ta itu med detta utvecklade fysikerna en universell karakterisering av svarta hål som integrerar mycket olika teoretiska tillvägagångssätt.
”Ett av EHT-samarbetets viktigaste bidrag till astrofysiken är att göra svarta hål till testbara objekt”, betonar Rezzolla.
”Vår förväntan är att relativitetsteorin kommer att fortsätta att bevisa sig, precis som den har gjort gång på gång hittills.”
Hittills stämmer resultaten överens med Einsteins teori. Mätosäkerheten är dock fortfarande så hög att endast några få mycket exotiska möjligheter har kunnat uteslutas.
Det är till exempel osannolikt att de två svarta hålen i centrum av M87 och vår galax är så kallade nakna singulariteter (utan händelsehorisont) eller maskhål – bara två av de många andra teoretiska möjligheter som behöver kontrolleras.
”Även etablerade teorier måste testas kontinuerligt, särskilt när det gäller extrema objekt som svarta hål”, tillägger fysikern. Det skulle vara banbrytande om Einsteins teori någonsin visade sig vara ogiltig.
EHT erbjuder enastående möjligheter för sådana mätningar. Detta samarbete mellan flera stora radioteleskop över hela världen uppnår en upplösning som motsvarar ett teleskop av jordens storlek, vilket för första gången möjliggör en skarp bild av svarta hålens omedelbara omgivning. I framtiden planeras ytterligare teleskop på jorden att integreras i EHT.
Forskare hoppas också på ett radioteleskop i rymden, vilket skulle förbättra den totala upplösningen avsevärt. Med en så hög upplösning skulle det vara möjligt att utsätta olika teorier om svarta hål för rigorösa tester.
Som den nyligen presenterade studien visar kräver detta en vinkelupplösning på mindre än en miljondel av en bågsekund – vilket kan jämföras med att se en mynt på månen från jorden. Även om detta överstiger dagens kapacitet förväntas det vara möjligt att uppnå inom några år.
Mer information: The future ability to test theories of gravity with black-hole shadows, Nature Astronomy (2025). DOI: 10.1038/s41550-025-02695-4.
