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黑洞扭曲宇宙形成多張圖像

對黑洞的圖解（圖片來源：馬克·格裏克/科學圖庫）

想象在一個(ge) 有趣的鏡子大廳裏映射了一整個(ge) 星係，你會(hui) 看到星係的每張圖像在一次次的重複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(wei) 測試愛因斯坦的廣義(yi) 相對論開辟了潛在的新方法。

一圈又一圈

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

但是如果你把一個(ge) 星係放在黑洞後麵，從(cong) 另一側(ce) 去觀察，你會(hui) 看到一個(ge) 扭曲的星係圖像。那是因為(wei) 來自星係的一些光幾乎擦過黑洞的邊緣，但不會(hui) 落入黑洞。

由於(yu) 黑洞的極端引力，這樣的光線會(hui) 向你的視線方向彎曲。奇怪的是，對作為(wei) 觀察者的你而言，你看到的星係似乎離黑洞很遠，而不是直接在它後麵。

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

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(ge) （或多個(ge) ）循環。

看著黑洞的邊緣，你的眼睛會(hui) 從(cong) 偏轉的光線中看到背景星係的一張圖像。然後，你會(hui) 看到銀河係的第二張圖像。光線在逃逸前成功地繞了一個(ge) 軌道，然後再從(cong) 繞兩(liang) 個(ge) 軌道的光線中被觀察到，然後是三個(ge) ，依此類推。

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

在該公式中，e是自然對數的底，它大約等於(yu) 2.7182。π是另一個(ge) 無理數，約為(wei) 3.14159，因此e2π得出的數字非常接近500。這意味著同一背景物體(ti) 的每次重複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。

黑洞背景中的星係發出的光環繞著黑洞，創造出無窮無盡的宇宙“鏡像”圖像。（圖片來源：彼得勞森）

費點兒(er) 功夫

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

一項新研究發表的結果中，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(nei) 彭使用數值方法來模擬圍繞（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的係數仍保持不變。他的研究結果發表在《科學報告》雜誌上。

斯內(nei) 彭在一份聲明中說：“理解這些圖像為(wei) 何以如此優(you) 雅的方式重複自己，是一件美妙的事情。”

斯內(nei) 彭發現500的係數隻適用於(yu) 簡化的、不動的黑洞。真實宇宙中的黑洞會(hui) 發生旋轉，這會(hui) 改變了光繞它們(men) 運行的方式——這反過來又改變了圖像出現的距離。

“事實證明，當黑洞旋轉得非常快時，你不再需要靠近它500倍的距離，但要小得多，”斯內(nei) 彭說，“每張圖像現在隻有50或5倍，甚至下降到隻接近黑洞邊緣的兩(liang) 倍。”

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

走進遊樂(le) 園

從(cong) 技術上講，有無限數量的背景物體(ti) 重複圖像，每一個(ge) 都更接近事件視界。在實際中，人類可能永遠看不到它們(men) ，因為(wei) 即使使用最強大的望遠鏡，也隻有少數圖像是可以分辨的。

但這些少數人將為(wei) 廣義(yi) 相對論的核心提供一個(ge) 強有力的視角，廣義(yi) 相對論是一個(ge) 描述引力的數學理論。

2019年，事件視界望遠鏡——一個(ge) 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(ti) 和塵埃上的圖像，這台望遠鏡的威力不足以捕捉背景物體(ti) 的多個(ge) 遊樂(le) 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(yu) 斯內(nei) 彭計算的數據進行對比，是對廣義(yi) 相對論前所未有的檢驗。例如，如果在黑洞後麵有一顆超新星——一顆垂死恒星的超強爆炸，我們(men) 會(hui) 看到那顆超新星爆炸多次。每張圖像都會(hui) 延遲一定的時間，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 它繞黑洞運行的次數，從(cong) 而使研究人員能夠將他們(men) 的理論與(yu) 現實進行比較。

我們(men) 隻需要願意凝視虛空足夠長的時間。

BY:Paul Sutter

FY:董美慧

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