宇宙哈哈鏡：黑洞扭曲光線形成多張鏡像圖像，真的好看！

黑洞扭曲宇宙形成多張圖像

對(duì)黑洞的圖解（圖片來源：馬克·格里克/科學(xué)圖庫）

想象在一個(gè)有趣的鏡子大廳里映射了一整個(gè)星系，你會(huì)看到星系的每張圖像在一次次的重復(fù)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(xué)家以前對(duì)這些區(qū)域的模樣有一些想法，但一項(xiàng)新的計(jì)算準(zhǔn)確地模擬了在黑洞周圍可以看到的景象，為測(cè)試愛因斯坦的廣義相對(duì)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(shí)很奇怪。無論質(zhì)量大小，都會(huì)被黑洞一視同仁。光線會(huì)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(gè)星系放在黑洞后面，從另一側(cè)去觀察，你會(huì)看到一個(gè)扭曲的星系圖像。那是因?yàn)閬碜孕窍档囊恍┕鈳缀醪吝^黑洞的邊緣，但不會(huì)落入黑洞。

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

黑洞周圍的引力是如此強(qiáng)烈，時(shí)空如此扭曲。這產(chǎn)生的結(jié)果是在一定距離內(nèi)，光本身就可以繞黑洞運(yùn)行。來自背景星系的一些光甚至被困住，永遠(yuǎn)圍繞黑洞循環(huán)。

然而，光線需要距離黑洞某一準(zhǔn)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(gè)（或多個(gè)）循環(huán)。

看著黑洞的邊緣，你的眼睛會(huì)從偏轉(zhuǎn)的光線中看到背景星系的一張圖像。然后，你會(huì)看到銀河系的第二張圖像。光線在逃逸前成功地繞了一個(gè)軌道，然后再?gòu)睦@兩個(gè)軌道的光線中被觀察到，然后是三個(gè)，依此類推。

幾十年來，物理學(xué)家通過簡(jiǎn)單的估計(jì)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(duì)數(shù)的底，它大約等于2.7182。π是另一個(gè)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(fù)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(fèi)點(diǎn)兒功夫

雖然物理學(xué)家可以使用紙筆計(jì)算得到這個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)果，但如果他們仔細(xì)觀察黑洞附近復(fù)雜的時(shí)空曲率，他們不確定500的特殊因子是否完全準(zhǔn)確。

一項(xiàng)新研究發(fā)表的結(jié)果中，丹麥哥本哈根大學(xué)尼爾斯玻爾研究所的研究生艾伯特·斯內(nèi)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(shí)，在高精度的測(cè)量中，500的系數(shù)仍保持不變。他的研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上。

斯內(nèi)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(fù)自己，是一件美妙的事情。”

斯內(nèi)彭發(fā)現(xiàn)500的系數(shù)只適用于簡(jiǎn)化的、不動(dòng)的黑洞。真實(shí)宇宙中的黑洞會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這會(huì)改變了光繞它們運(yùn)行的方式——這反過來又改變了圖像出現(xiàn)的距離。

“事實(shí)證明，當(dāng)黑洞旋轉(zhuǎn)得非常快時(shí)，你不再需要靠近它500倍的距離，但要小得多，”斯內(nèi)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(zhuǎn)扭曲了它周圍的時(shí)空，因此背景物體的每個(gè)連續(xù)圖像都顯得更平坦。因此，最遠(yuǎn)的圖像會(huì)顯得相對(duì)不失真，而最近的圖像可能完全無法識(shí)別。

走進(jìn)游樂園

從技術(shù)上講，有無限數(shù)量的背景物體重復(fù)圖像，每一個(gè)都更接近事件視界。在實(shí)際中，人類可能永遠(yuǎn)看不到它們，因?yàn)榧词故褂米顝?qiáng)大的望遠(yuǎn)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(duì)論的核心提供一個(gè)強(qiáng)有力的視角，廣義相對(duì)論是一個(gè)描述引力的數(shù)學(xué)理論。

2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡——一個(gè)橫跨全球的盤狀網(wǎng)絡(luò)望遠(yuǎn)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(tái)望遠(yuǎn)鏡的威力不足以捕捉背景物體的多個(gè)游樂園鏡像，但未來的望遠(yuǎn)鏡可以。

對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀察到的鏡像圖像與斯內(nèi)彭計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，是對(duì)廣義相對(duì)論前所未有的檢驗(yàn)。例如，如果在黑洞后面有一顆超新星——一顆垂死恒星的超強(qiáng)爆炸，我們會(huì)看到那顆超新星爆炸多次。每張圖像都會(huì)延遲一定的時(shí)間，具體取決于它繞黑洞運(yùn)行的次數(shù)，從而使研究人員能夠?qū)⑺麄兊睦碚撆c現(xiàn)實(shí)進(jìn)行比較。

我們只需要愿意凝視虛空足夠長(zhǎng)的時(shí)間。

BY:Paul Sutter

FY:董美慧

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