自從阿爾伯特·愛因斯坦提出他的廣義相對論以來，一個世紀以來，物理學家們透過廣泛的實驗對其進行了嚴格的測試，而它經受住了所有這些考驗。但這些實驗是在相對較弱的引力環境中進行的。因此，科學家們一直想知道，該理論在更極端的條件下，例如黑洞周圍的區域，如何描述宇宙。為此，一項新的研究提出了一種檢驗該理論極限的方法：研究人員已經確定，如果廣義相對論在黑洞附近失效，那麼其影響可能會在從墜落物質中爆發出的X射線中檢測到。該研究發表在7月22日的《物理評論D》上。
根據廣義相對論，我們體驗到的引力現象是時空（三個空間維度和第四時間維度的組合）圍繞質量彎曲的結果。物體的密度越大，它扭曲時空結構就越嚴重，其引力場就越強。在像黑洞這樣的物體周圍——這是爆炸的大質量恆星的殘餘物，它非常緊湊，以至於連光都無法逃脫它們的引力牽引——時空嚴重扭曲。物理學家利用相對論，以及所謂的無毛定理，該定理指出黑洞只有兩個定義特徵（質量和旋轉），來預測時空如何圍繞黑洞彎曲。他們稱這種曲率為克爾解。
證明克爾解能夠準確描述黑洞附近的的時空，將表明廣義相對論即使在極端引力的環境中也依然成立。但到目前為止，還沒有人能夠證明克爾解的正確性。理想情況下，天體物理學家會記錄一個物體在黑洞周圍區域移動時的運動，以描述時空曲率的特徵。但是一些黑洞的直徑只有幾公里，這在宇宙尺度上是很小的。科學家目前還無法從數光年之外追蹤在如此狹小空間內移動的單個物體。
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儘管目前還沒有觀測證據表明相對論在黑洞內部失效，“但這並沒有阻止理論家提出各種替代的[引力理論]，”英國劍橋大學天文研究所的天體物理學家喬納森·蓋爾說。這些替代理論產生了他們自己對時空曲率的描述，這與克爾解不同。
為了幫助確定相對論或其競爭對手之一是否真正描述了黑洞周圍時空的扭曲，蓋爾和該研究所的天體物理學家克里斯托弗·摩爾使用計算機建模來模擬幾個時空曲線以某種方式偏離克爾解所描述的地形的黑洞。他們稱這些偏差為“凸起”。該團隊想知道地球上的觀測者是否可以檢測到這些凸起黑洞周圍的怪異曲率，因此他們在模擬黑洞的輻射中尋找凸起特徵。當黑洞吞噬周圍的物質時，該物質會發出X射線，這些X射線具有稍微不同的特性，具體取決於黑洞的引力場。
摩爾和蓋爾模擬了具有特定引力替代理論中描述的凸起以及更普遍的一組各種變形黑洞的黑洞。“我們想做一些更通用的事情，因為如果廣義相對論不正確，我們很可能沒有想到正確的偏差，”蓋爾說。研究人員將他們的凸起黑洞分為三類，每一類的凸起都逐漸變小：在第一類中，即使在遠離黑洞的距離處，黑洞周圍的時空曲率也與克爾解顯著不同。在第二類和第三類中，凸起收縮得越來越快，摩爾解釋說。
透過檢查模擬的凸起黑洞產生的X射線，摩爾和蓋爾確定了科學家可以在真實事物中檢測到哪些變形，以及哪些變形會與其餘符合相對論的宇宙融為一體。據摩爾說，該團隊確定了四個凸起，所有這些凸起都以最慢的方式減小，科學家可以切實地檢測到。瞭解與特定黑洞“凸起”相對應的X射線特徵為科學家將來對黑洞進行X射線觀測提供了有價值的參考。據未參與這項研究的亞利桑那大學天體物理學家迪米特里奧斯·普薩爾蒂斯說，歐洲航天局的雅典娜X射線天文臺將在2028年發射時進行這些觀測。
未參與這項研究的德克薩斯大學達拉斯分校的天體物理學家邁克·克斯登指出，由於摩爾和蓋爾的黑洞凸起中只有少數幾個在X射線輻射中發出危險訊號，因此這項研究為建造引力波探測器提供了進一步的支援。引力波——時空中的漣漪——可以編碼關於黑洞周圍時空形狀的資訊。事實上，摩爾和蓋爾計劃發表一項關於使用引力波來測量他們模擬的黑洞凸起的可能性的後續研究。因此，即使X射線輻射沒有揭示凸起黑洞附近廣義相對論的失效，引力波也可能揭示。