來源：原理

　　你一定對黑洞不陌生，它們(men) 是宇宙中最驚人的一類天體(ti) ，是一種連光都無法逃逸的奇妙的引力團塊。

　　黑洞是由奇點的存在定義(yi) 的，它的“邊界”就是事件視界。無論什麽(me) 東(dong) 西，一旦進入這個(ge) 邊界便有去無回，再也無法逃脫。

　　黑洞由奇點的存在而定義(yi) 的，它被“事件視界”包圍著。| 圖片來源：nobelprize.org

　　你很可能也聽說過，由於(yu) 極端的引力，黑洞附近的時空結構會(hui) 被改變和扭曲，空間甚至時間的行為(wei) 都很奇怪。空間會(hui) 發生急劇彎曲，光線也會(hui) 發生偏轉。在一些極端情況下，非常靠近黑洞的光線可能偏轉得很厲害，甚至會(hui) 在黑洞周圍繞上好幾圈，然後才逃逸。

　　這樣一來，當我們(men) 觀察宇宙時，會(hui) 發現很多有趣的現象。近日，尼爾斯·玻爾研究所的一位碩士研究生提出了一種最新的數學表達方法，恰當地描述出了黑洞如何影響著來自宇宙的光。研究已於(yu) 近日發表在《科學報告》上。

　　如果一個(ge) 黑洞出現在我們(men) 和一個(ge) 遙遠的背景星係（或者其他天體(ti) ）之間，這個(ge) 星係或許“安然無恙”，但我們(men) 看到的圖像就未必了。

　　這個(ge) 星係會(hui) 向各個(ge) 方向發出光芒，一些光相對來說離黑洞沒那麽(me) 近，它們(men) 會(hui) 輕微地發生偏轉。還有一些光離黑洞更近一些，它們(men) 可能繞著黑洞轉了一圈，然後再逃逸。還有一些離黑洞更近的光可能繞著黑洞轉了兩(liang) 圈甚至更多……以此類推。

　　來自背景星係的光距離黑洞越近，環繞黑洞的圈數就越多，因此我們(men) 會(hui) 看到同一個(ge) 星係的不同圖像。| 圖片來源：nbi.cu.dk

　　簡單來說，如果我們(men) 站在事件視界之外的某個(ge) 位置觀察，會(hui) 有無數光的軌跡進入我們(men) 的眼睛，讓我們(men) 看到同一個(ge) 背景星係的不同版本的圖像。隨著距離事件視界越來越近，光繞行黑洞的次數就越多，所看到的圖像版本也更多。

　　如果我們(men) 從(cong) 地球上觀測，就會(hui) 發現圖像會(hui) 變得越來越“壓縮”，越靠近黑洞的圖像越會(hui) 被“拉扯”成趨近環形，發生扭曲和變形。這就給物理學家留下了一個(ge) 關(guan) 係的問題：從(cong) 一張圖到下一張圖的變化，意味著需要向黑洞更靠近多少程度？

　如果我們(men) 站在地球上觀測，這些圖像會(hui) 隨著與(yu) 黑洞距離的變小而變得越來越扭曲和彎折，就像被不斷“壓縮”一樣

　　實際上，這個(ge) 係數的答案在40多年前已經得到，大約是500倍，更精確地說是e2π（535.4916555247647……）。這可以簡單理解成，多繞一圈的光創造出的新圖像，與(yu) 黑洞的距離隻有上一張圖像的約500分之一。

　　盡管我們(men) 已經知道了這一係數，但它背後的計算卻格外複雜，科學家一直沒有發展出一種合理的數學和物理解釋，很好地說明為(wei) 什麽(me) 恰好是這個(ge) 數字。

　　在新研究中，阿爾伯特·斯內(nei) 彭（Albert Sneppen）利用一些巧妙的數學技巧和模擬，成功揭開了背後的原因，用完整的數學再次確認了這一數值，也讓我們(men) 對這種神奇現象有了更進一步的理解。

　　根據分析，e2π這一係數直接與(yu) 黑洞以及引力的運作方式有關(guan) 。研究還發現，這種新方法不僅(jin) 適用於(yu) 數學上最簡單的那種“簡單版本”的史瓦西黑洞，它同樣能夠推廣適用在旋轉黑洞上。事實上，旋轉黑洞在宇宙中更為(wei) 常見。

　　當黑洞旋轉得非常快時，這一係數的數值將明顯下降。這個(ge) 係數實際上還代表了圖像在黑洞周圍被“壓縮”的速度，“e2π”這麽(me) 大的數值意味著，圖像會(hui) 被快速壓成環形，也就是說，許多圖像在實際操作中可能很難被觀測到。然而係數數值的下降或許暗示著，在旋轉黑洞的周圍有了更多創造圖像的餘(yu) 地，這為(wei) 觀測黑洞以及它們(men) 背後的遙遠星係帶來了新的可能。

　　斯內(nei) 彭希望，這一研究能夠真正幫助相關(guan) 的觀測。這樣，我們(men) 不僅(jin) 可以了解黑洞，還有機會(hui) 認識黑洞背後的更多星係。

　　在某些情況下，我們(men) 可能還有機會(hui) “觀看”反複“播放”的宇宙電影。隨著光的傳(chuan) 播時間增加，它環繞黑洞的次數就越多，因此圖像就會(hui) 變得越來越“延遲”。例如，假如有一顆恒星在背景星係中以超新星的形式爆發，科學家或許就能一次又一次地看到這種爆炸。

　　#創作團隊：

　　編譯：Måka

　　#參考來源：

　　https：//nbi.ku.dk/english/news/news21/danish-student-solves-how-the-universe-is-reflected-near-black-holes/

　　https：//interestingengineering.com/black-holes-reflect-universe

　　https：//www.nature.com/articles/s41598-021-93595-w

　　#圖片來源：

　　封麵來源：NASA / JPL-Caltech

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