科学家首次确认，时空的结构在黑洞边缘发生了“最终的坠落”。爱因斯坦的理论预测了这一最终坠落的存在，但这是我们首次能展示其实际发生。
牛津大学物理学系的天体物理学家在黑洞周围的这一坠落区域进行了观测，这一发现再次验证了爱因斯坦1915年提出的引力理论：广义相对论！
牛津团队在关注位于靠近地球的伴星双星系统中的恒星质量黑洞区域时，做出了这一发现。
研究人员利用了从多个太空望远镜收集的X射线数据，包括美国宇航局的核光谱望远镜阵列（NuSTAR）和国际空间站上的中子星内部成分探测器（NICER）。
这些数据让他们能够确定从伴星剥离的高温电离气体和等离子体在其相关黑洞边缘的最终坠落的命运。研究结果表明，这些所谓的黑洞周围的坠落区域是银河系中观察到的最强的引力影响区域之一。
团队负责人、牛津大学物理学家Andrew Mummery在声明中说：这是首次观察到等离子体从恒星外缘剥离并最终坠入黑洞中心的过程，这个系统距离我们约一万光年。
他说，“想象一下，一条河流变成了瀑布，迄今为止，我们一直在看河流。现在，我们首次看到了瀑布。”
爱因斯坦的广义相对论理论指出，具有质量的物体会导致时空这个四维实体的弯曲，引力由此产生。
虽然广义相对论在四维空间中运作，但可以通过一个粗略的二维类比来说明。想象把不同质量的球体放在拉伸的橡皮膜上，高尔夫球会造成一个小而几乎无法察觉的凹痕；板球会导致一个较大的凹痕；而保龄球则会造成一个巨大的凹痕。
这类似于月球、行星和恒星在四维时空中造成的“凹痕”。随着物体质量的增加，它们造成的弯曲也增加，从而它们的引力影响也随之增加，黑洞就像是那个类比中的大炮球。
具有数十甚至数百倍太阳质量、宽度却约为地球的恒星质量黑洞，其时空弯曲和引力影响会变得相当极端，超大质量黑洞则是另一回事。它们的质量巨大，相当于数百万甚至数十亿颗太阳的质量，远远超过它们的恒星质量黑洞。
回到广义相对论，爱因斯坦认为，这种时空弯曲会导致其他有趣的物理现象。例如，他说，在黑洞边界的外面必须有一个点，在这个点上粒子无法进行圆形或稳定的轨道运动，进入该区域的物质将以接近光速坠向黑洞。
理解黑洞中这一假设坠落区域内物质的物理性质，一直是天体物理学家的目标。为了解决这个问题，牛津团队研究了黑洞与“普通”恒星形成双星系统时会发生什么。
如果两者足够接近，或者恒星稍微膨胀，黑洞的引力影响可以拉走恒星物质。由于这种等离子体带有角动量，它不能直接落入黑洞，相反，它会在黑洞周围形成一个扁平的旋转云，称为吸积盘。
从吸积盘中，物质逐渐被送入黑洞。根据吸积黑洞的模型，应该有一个点称为最内稳定圆轨道（ISCO）物质可以在吸积盘中稳定旋转的最后一点。任何超出这个点的物质都处于“坠落区域”，开始不可避免地向黑洞深渊下坠。
关于这个坠落区域是否可以被检测到的争论在牛津团队发现银河系黑洞双星系统MAXI J1820+070的吸积盘的ISCO之外的发射物时得到了证实。
MAXI J1820+070距离地球约一万光年，其黑洞质量约为八个太阳，它从其恒星伴星中拉取物质，同时以接近光速80%的速度喷出双射流；它还产生强烈的X射线辐射。
团队发现，MAXI J1820+070在“软态”爆发中的X射线光谱，代表了围绕旋转的或“克尔”黑洞的吸积盘发射，一个完整的吸积盘，包括坠落区域。
研究人员表示，这种情况代表了首次在黑洞吸积盘内部边缘检测到坠落区域的发射物；他们称这种信号为“ISCO内部发射物”。这些ISCO内部发射物确认了广义相对论在描述黑洞周围区域的准确性。
为了跟进这项研究，牛津物理系的一个独立团队正在与欧洲的一个项目合作，建造非洲毫米波望远镜。这台望远镜将增强科学家捕捉黑洞直接图像的能力，并允许探测更遥远黑洞的坠落区域。
Mummery总结道：“真正令人兴奋的是，银河系中有许多黑洞，我们现在有了一种强大的新技术，可以用它们来研究已知的最强引力场。”
该团队的研究发表在《皇家天文学会月报》上。
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