黑洞扭曲宇宙形成多張圖像

對黑洞的圖解（圖片來源：馬克·格里克/科學圖庫）

想象在一個有趣的鏡子大廳里映射了一整個星系，你會看到星系的每張圖像在一次次的重復下變得越來越怪誕和扭曲。這就是宇宙在黑洞事件視界附近的模樣，而黑洞也是宇宙中最扭曲的地方之一。

雖然物理學家以前對這些區(qū)域的模樣有一些想法，但一項新的計算準確地模擬了在黑洞周圍可以看到的景象，為測試愛因斯坦的廣義相對論開辟了潛在的新方法。

一圈又一圈

黑洞附近的區(qū)域確實很奇怪。無論質量大小，都會被黑洞一視同仁。光線會被黑洞的視界吞噬，任何東西都無法逃脫其巨大引力的影響。

但是如果你把一個星系放在黑洞后面，從另一側去觀察，你會看到一個扭曲的星系圖像。那是因為來自星系的一些光幾乎擦過黑洞的邊緣，但不會落入黑洞。

由于黑洞的極端引力，這樣的光線會向你的視線方向彎曲。奇怪的是，對作為觀察者的你而言，你看到的星系似乎離黑洞很遠，而不是直接在它后面。

黑洞周圍的引力是如此強烈，時空如此扭曲。這產生的結果是在一定距離內，光本身就可以繞黑洞運行。來自背景星系的一些光甚至被困住，永遠圍繞黑洞循環(huán)。

然而，光線需要距離黑洞某一準確的位置，才能被困在軌道中。它還可以以一定角度撞擊黑洞，使其在最終逃離之前形成一個（或多個）循環(huán)。

看著黑洞的邊緣，你的眼睛會從偏轉的光線中看到背景星系的一張圖像。然后，你會看到銀河系的第二張圖像。光線在逃逸前成功地繞了一個軌道，然后再從繞兩個軌道的光線中被觀察到，然后是三個，依此類推。

幾十年來，物理學家通過簡單的估計發(fā)現(xiàn)，每張圖像都比上一張接近黑洞邊緣的e2π倍。

在該公式中，e是自然對數(shù)的底，它大約等于2.7182。π是另一個無理數(shù)，約為3.14159，因此e2π得出的數(shù)字非常接近500。這意味著同一背景物體的每次重復比上一次更接近黑洞邊緣約500倍。

這張示意圖顯示了光線如何在黑洞邊緣附近形成背景鏡像。

黑洞背景中的星系發(fā)出的光環(huán)繞著黑洞，創(chuàng)造出無窮無盡的宇宙“鏡像”圖像。（圖片來源：彼得勞森）

費點兒功夫

雖然物理學家可以使用紙筆計算得到這個簡單的結果，但如果他們仔細觀察黑洞附近復雜的時空曲率，他們不確定500的特殊因子是否完全準確。

一項新研究發(fā)表的結果中，丹麥哥本哈根大學尼爾斯玻爾研究所的研究生艾伯特·斯內彭使用數(shù)值方法來模擬圍繞（和逃離）黑洞附近的光線的物理特性。他證實，在高精度的測量中，500的系數(shù)仍保持不變。他的研究結果發(fā)表在《科學報告》雜志上。

斯內彭在一份聲明中說：“理解這些圖像為何以如此優(yōu)雅的方式重復自己，是一件美妙的事情?！?/p>

斯內彭發(fā)現(xiàn)500的系數(shù)只適用于簡化的、不動的黑洞。真實宇宙中的黑洞會發(fā)生旋轉，這會改變了光繞它們運行的方式——這反過來又改變了圖像出現(xiàn)的距離。

“事實證明，當黑洞旋轉得非?？鞎r，你不再需要靠近它500倍的距離，但要小得多，”斯內彭說，“每張圖像現(xiàn)在只有50或5倍，甚至下降到只接近黑洞邊緣的兩倍?！?/p>

由于黑洞的旋轉扭曲了它周圍的時空，因此背景物體的每個連續(xù)圖像都顯得更平坦。因此，最遠的圖像會顯得相對不失真，而最近的圖像可能完全無法識別。

走進游樂園

從技術上講，有無限數(shù)量的背景物體重復圖像，每一個都更接近事件視界。在實際中，人類可能永遠看不到它們，因為即使使用最強大的望遠鏡，也只有少數(shù)圖像是可以分辨的。

但這些少數(shù)人將為廣義相對論的核心提供一個強有力的視角，廣義相對論是一個描述引力的數(shù)學理論。

2019年，事件視界望遠鏡——一個橫跨全球的盤狀網絡望遠鏡——生成了第一張黑洞“陰影”投射在其周圍氣體和塵埃上的圖像，這臺望遠鏡的威力不足以捕捉背景物體的多個游樂園鏡像，但未來的望遠鏡可以。

對望遠鏡觀察到的鏡像圖像與斯內彭計算的數(shù)據(jù)進行對比，是對廣義相對論前所未有的檢驗。例如，如果在黑洞后面有一顆超新星——一顆垂死恒星的超強爆炸，我們會看到那顆超新星爆炸多次。每張圖像都會延遲一定的時間，具體取決于它繞黑洞運行的次數(shù)，從而使研究人員能夠將他們的理論與現(xiàn)實進行比較。

我們只需要愿意凝視虛空足夠長的時間。

BY:Paul Sutter

FY:董美慧

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