黑洞将宇宙扭曲成一个怪诞的镜子大厅

黑洞将宇宙扭曲成一个怪诞的镜子大厅

想象一个星系倒映在一个有趣的镜子大厅里。你会看到星系,一遍又一遍地重复,每张图像都变得更加怪诞和扭曲。这就是宇宙在黑洞事件视界附近的样子,黑洞是宇宙中最扭曲的地方之一。

虽然物理学家之前对这些区域的样子有一些想法,但一项新的计算准确地显示了你在黑洞周围看到的东西,为测试爱因斯坦的广义相对论开辟了潜在的新方法。

黑洞附近的区域确实很奇怪。直视重物不会让你的眼睛集中注意力;光线被黑洞的事件视界吞噬,在这个点上,任何东西都无法逃脱其巨大的引力影响。

但是如果你在黑洞后面放置一个星系,然后从侧面看,你会看到一个扭曲的星系图像。那是因为来自星系的一些光几乎不会擦过黑洞的边缘,而不会落入。

由于黑洞的极端引力,这样的光会向你的视线弯曲。奇怪的是,这个星系似乎离黑洞很远,而不是直接在它后面。

黑洞周围的引力如此强烈,时空如此扭曲,以至于在一定距离内,光本身可以围绕黑洞运行。一些来自背景星系的光甚至被困住,永远循环。

然而,光需要到达黑洞的正确距离才能被困在轨道上。它还可以以一定角度撞击黑洞,使其在最终逃逸之前形成一个(或多个)循环。

看着黑洞的边缘,你的眼睛会从它的偏转光中看到背景星系的一幅图像。然后,你会从在逃逸之前设法绕一个轨道运行的光线中看到星系的第二张图像——然后又从绕了两个轨道的光线中看到,然后是三个,依此类推。

几十年来,物理学家通过简单的估计就知道,每张图像都比上一张近 e^2𝜋 倍。

在该公式中,e是自然对数的底,它大约等于 2.7182。Pi是另一个无理数,大约为 3.14159,因此 e^2𝜋 得出的数字非常接近 500。这意味着相同背景物体的每次重复比上一次更靠近黑洞边缘约 500 倍。

虽然物理学家可以使用纸笔计算得到这个简单的结果,但如果他们仔细观察黑洞附近复杂时空曲率的行为,他们不确定 500 的特殊因子是否完全准确。

在一项新研究中发表的结果中,丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的研究生 Albert Sneppen 使用数值方法模拟了绕(和逃逸)黑洞附近的光线的物理学。他证实,在高度准确的处理中,因子 500 保持不变。他的结果发表在 7 月 9 日的《科学报告》杂志上。

斯内彭在一份声明中说: “现在理解为什么这些图像以如此优雅的方式重复出现的原因是非常美妙的。”

斯内彭发现 500 的因子仅适用于简化的、不动的黑洞。真实宇宙中的黑洞旋转,这改变了光围绕它们运行的​​方式——这反过来又改变了图像出现的距离。

“事实证明,当它旋转得非常快时,你不再需要以 500 倍的速度接近黑洞,但要少得多,”斯内彭说。“事实上,每张图像现在只有 50 个,或 5 个,甚至下降到离黑洞边缘更近的两倍。”

由于黑洞的旋转扭曲了它周围的时空,背景物体的每个连续图像看起来都更平坦。因此,最远的图像会显得相对不失真,而最近的图像可能完全无法识别。

从技术上讲,有无数重复的背景物体图像,每一个都更接近事件视界。在实践中,人类可能永远不会看到它们,因为即使使用最强大的望远镜,也只有少数是可以解析的。

但那些少数人将为广义相对论的核心提供一个强有力的视角,广义相对论是描述引力的数学理论。

2019 年,事件视界望远镜(一个覆盖全球的碟形网络)生成了第一张黑洞“阴影”投射在其周围气体和尘埃上的图像。那台望远镜的功能不足以捕捉背景物体的多幅有趣的房子镜面图像,但未来的望远镜可以。

比较现实世界中的物体与我们对 Sneppen 等计算所期望的不同,将为广义相对论提供前所未有的检验。例如,如果在黑洞后面有一颗超新星——一颗垂死恒星的超强爆炸——我们会看到这颗超新星多次爆发。每张图像都会被延迟一定量,这取决于它绕黑洞运行的次数,让研究人员能够将他们的理论与现实进行比较。

我们只需要愿意凝视虚空足够长的时间。

为您推荐