簡(jiǎn)介：黑洞的瘋狂扭曲

此圖為藝術(shù)家想象模擬出的黑洞

雖然很難直接想象出黑洞周圍的陰影和空間的樣子，但想象力卻不是天文學(xué)家工具箱里面唯一的工具。

基于多年的觀察和分析，黑洞可視化的研究有著數(shù)十年的歷史傳統(tǒng)，這可以一直追溯到20世紀(jì)70年代法國(guó)天文學(xué)家讓-皮埃爾·魯米內(nèi)。

令人著迷的是，當(dāng)一個(gè)龐大的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最終直接捕捉到一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的真實(shí)圖像——現(xiàn)在著名的M87*，之前的模擬結(jié)果竟然和我們這次看到的非常接近。所以我們知道我們的傳統(tǒng)預(yù)測(cè)是非常準(zhǔn)確的。

此圖為科學(xué)家捕捉到的M87*圖

因?yàn)樯婕暗綇?qiáng)烈的引力場(chǎng)，物質(zhì)會(huì)變得非常不正常。光線會(huì)彎曲、其強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，這些變化都與它的移動(dòng)方向有關(guān)。但如果不僅僅是一個(gè)黑洞，而是兩個(gè)，并且它們被共同的運(yùn)行軌道引力鎖定，發(fā)光的塵埃和氣體被他們各自吸引，堆積起來(lái)盤繞著他們的軌道運(yùn)行，會(huì)發(fā)生什么呢？

我們或許可以從NASA最新的研究中找到答案，他們正在對(duì)極其復(fù)雜的黑洞進(jìn)行可視化研究。

此圖為2017年藝術(shù)家對(duì)雙星黑洞的想象圖

美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的天體物理學(xué)家杰里米·施尼特曼（Jeremy Schnittman）在先前的工作中曾模擬出一個(gè)黑洞及圍繞著它旋轉(zhuǎn)的吸積盤，在此基礎(chǔ)上，我們將兩個(gè)黑洞扔在一起，會(huì)發(fā)生什么呢？

藝術(shù)家對(duì)即將相撞的雙星黑洞的想象圖

“我們正在觀測(cè)兩個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，較大的那個(gè)質(zhì)量為2億個(gè)太陽(yáng)系，而另一個(gè)較小的黑洞是大黑洞質(zhì)量的一半。”?他解釋道。

“在這類雙星黑洞系統(tǒng)中，我們認(rèn)為這兩個(gè)黑洞都可以持續(xù)維持它們各自的吸積盤達(dá)數(shù)百萬(wàn)年?！?/p>

模擬開(kāi)始，當(dāng)這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞彼此圍繞軌道運(yùn)行時(shí)，你只要從上往下看就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)黑洞的中間都有一個(gè)黑洞陰影，陰影的周圍被一個(gè)很寬的吸積盤環(huán)繞著。

吸積盤的內(nèi)緣和黑洞陰影之間的薄環(huán)我們稱之為光子環(huán)，在那里引力是如此強(qiáng)大，以至于眾多光子被困在一個(gè)圍繞黑洞的穩(wěn)定軌道上。如果這些光子朝著更接近黑洞的地方轉(zhuǎn)向，它們就會(huì)落到視界之外，也就是我們看不到它們的地方。

隨著模擬的繼續(xù)，觀察者的視角向下移動(dòng)到這兩個(gè)黑洞的軌道平面。

起初，模擬看起來(lái)很像你可能曾經(jīng)看到過(guò)的其他模擬，圓盤的光在背面彎曲形成光環(huán)，黑洞陰影前面的光隨著它向觀察者移動(dòng)而來(lái)變亮，隨著它離開(kāi)而變暗。這就是所謂的相對(duì)論性光子束，它是由多普勒效應(yīng)引起的，該效應(yīng)表明，波（本文中，是光波）基于其傳播方向的不同會(huì)發(fā)生十分明顯的變化。

然后模擬就變得非常奇怪，非常快速了。

施尼特曼用了兩種不同的顏色來(lái)代表這兩個(gè)黑洞，因?yàn)楫?dāng)引力場(chǎng)發(fā)生彎曲和扭曲，導(dǎo)致光線通過(guò)復(fù)雜的彎曲路徑時(shí)，可以使它們更容易被區(qū)分開(kāi)開(kāi)來(lái)。由于受到雙星黑洞引力的影響，每個(gè)黑洞的光線變得更加扭曲。這是用一臺(tái)功能強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。

然后，視角自上而下移動(dòng)，放大視角中的一部分，圍繞著一個(gè)黑洞移動(dòng)的光子環(huán)同時(shí)也是其黑洞同伴的側(cè)面視角。這是因?yàn)楣饩€被彎曲成了90度，這意味著我們同時(shí)可以既看到每個(gè)黑洞自上而下的樣子和又可以看見(jiàn)他們扭曲的側(cè)面視圖。

此為4處視角的放大圖

“這種新的可視化技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就由引力透鏡產(chǎn)生的圖像具有自相似性，”?施尼特曼說(shuō)。”放大任一個(gè)黑洞，就會(huì)顯示出其伴侶的多張?jiān)絹?lái)越扭曲的圖像。”

事實(shí)上，引力透鏡是一種觀察空間更深區(qū)域的有用工具，因?yàn)樗哂蟹糯笞饔?，并且?jīng)?？梢詮?fù)制更遠(yuǎn)的物體。星系和星系團(tuán)也是引力透鏡，盡管他們這類有透鏡的物體看起來(lái)并沒(méi)有和由兩個(gè)活躍的超大質(zhì)量黑洞形成的圖像一樣彎曲和奇怪。

直接成像一個(gè)黑洞是一項(xiàng)工作量巨大的工作，而超大質(zhì)量的雙星黑洞非常罕見(jiàn)，因此我們不太可能很快看到施尼特曼可視化的真實(shí)版本——但這樣的模擬仍然可以幫助我們了解超大質(zhì)量黑洞周圍極端環(huán)境形成的物理現(xiàn)象，以便我們能更好地分析觀察到的情況。

另外，它們看起來(lái)真的很棒，不是嗎？

BY: MICHELLE STARR

FY: 靜守蔡徐坤

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