宇宙如何在黑洞附近反射


一片发光的气体盘旋着进入电影《星际》中的黑洞“巨人塔”。因为黑洞周围的空间是弯曲的,所以我们有可能环顾它的远侧,看到气体盘中原本被黑洞隐藏的部分。NBI的丹麦硕士生Albert Sneppen CREDIT:interstellar.wiki/CC by-NC License提高了我们对这一机制的理解。

在黑洞附近,空间是如此扭曲,甚至光线也可能围绕黑洞弯曲好几次。

这种现象可以使我们看到同一事物的多个版本。虽然这已经知道了几十年了,但直到现在我们才有了一个精确的数学表达式,这要感谢尼尔斯玻尔学院的学生阿尔伯特·斯内彭。这个在现实黑洞中更有用的结果刚刚发表在《科学报告》杂志上。

你可能听说过黑洞——一种连光都逃不出的奇妙的引力块。你可能也听说过,在黑洞附近,空间本身甚至时间的行为都很奇怪;空间扭曲了。

在黑洞附近,空间弯曲得很厉害,光线会发生偏转,而非常近的光线也会发生偏转,在黑洞周围传播好几次。因此,当我们观察一个遥远的背景星系(或其他天体)时,我们可能幸运地多次看到同一个星系的图像,尽管越来越扭曲。

多版本星系

其机制如下图所示:一个遥远的星系向四面八方发光——它的一些光线接近黑洞,并被轻微偏转;有些光线更近了,绕着洞转了一圈,然后逃到我们这里,以此类推。在黑洞附近看,我们看到同一星系的版本越来越多,离我们所看到的黑洞边缘越近。

从一张图片看下一张图片,离黑洞有多远?这个结果已经知道了40多年,大约是500倍(对于数学爱好者来说,它更准确地说是“两个π的指数函数”,写成e2π)。

计算它是如此复杂,直到最近,我们还没有发展出一个数学和物理的直觉,为什么它恰好是这个确切的因素。但是,利用一些聪明的数学技巧,来自宇宙曙光中心的硕士生阿尔伯特·斯内彭(Albert Sneppen)现在已经成功地证明了原因。宇宙曙光中心是尼尔斯·玻尔研究所和DTU太空研究所的一个基础研究中心。

“现在理解为什么图像以如此优雅的方式重复它们自己,有一种奇妙的美。除此之外,它还为检验我们对引力和黑洞的理解提供了新的机会。

用数学证明某件事不仅本身令人满意;事实上,它使我们更接近于对这一神奇现象的理解。因子“500”直接来源于黑洞和引力的工作原理,因此图像的重复现在成为检验和测试引力的一种方法。

旋转黑洞

作为一个全新的特征,Sneppen的方法也可以推广到不仅适用于“平凡”的黑洞,也适用于旋转的黑洞。事实上,他们都是这样。

“事实证明,当黑洞旋转得非常快时,你就不必再以500倍的距离接近黑洞,而是要明显地少一些。事实上,每幅图像现在只有50或5张,甚至下降到离黑洞边缘只有2倍的距离”,阿尔伯特·斯内彭解释道。

每一张新的图像都要看500倍于黑洞的距离,这意味着图像很快被“压缩”成一个环形图像,如右图所示。在实践中,许多图像将很难观察到。但当黑洞旋转时,会有更多的空间来拍摄“多余”的图像,因此我们可以希望在不远的将来从观测上证实这一理论。这样,我们不仅可以了解黑洞,还可以了解黑洞背后的星系:

光的传播时间越长,环绕黑洞的次数就越多,因此图像变得越来越“延迟”。例如,如果一颗恒星在背景星系中以超新星的形式爆炸,人们就能一次又一次地看到这种爆炸。

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