最新数学公式可精确描述黑洞如何扭曲宇宙光

2021年07月20日 10:20 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

在黑洞附近,空间是扭曲的,以至于光线在黑洞周围多次发生弯曲,这种现象在宇宙中普遍存在,虽然天文学家几十年前已探测到该现象,但直到现在才有一个精确的数学公式进行表达。这是丹麦尼尔斯·波尔研究所研究生阿尔伯特·斯奈本的研究成果,他提出的数学公式能恰当地描述黑洞如何影响宇宙中的光线,该研究报告发表在近日出版的《科学报告》杂志上。

人们对黑洞很熟悉,黑洞是一种连光都无法逃脱的神秘引力团,或许你可能听说过,空间和时间在黑洞附近会表现得很奇怪,至少空间会发生扭曲。

在科幻电影《星际穿越》中一个发光气体漩涡进入“卡冈都亚”黑洞,由于黑洞周围的空间是扭曲的,所以我们可以观察它的远侧,看到的仅是该气体漩涡的一部分(被黑洞隐藏起来的)。目前,丹麦研究生阿尔伯特__斯奈本提出一个数学公式能恰当地描述黑洞如何影响宇宙中的光线

在科幻电影《星际穿越》中一个发光气体漩涡进入“卡冈都亚”黑洞,由于黑洞周围的空间是扭曲的,所以我们可以观察它的远侧,看到的仅是该气体漩涡的一部分(被黑洞隐藏起来的)。目前,丹麦研究生阿尔伯特__斯奈本提出一个数学公式能恰当地描述黑洞如何影响宇宙中的光线

在黑洞附近区域,空间扭曲得非常严重,以至于光线会发生偏转,非常邻近黑洞的光线偏转较大,以至于它会环绕黑洞运行数圈。因此,当我们观察一个遥远的背景星系(或者其他天体)时,我们可能会幸运地多次看到同一个星系的图像,尽管它越来越扭曲。

“多个版本的星系”

黑洞扭曲周围光线的机制很特殊,遥远星系向各个方向释放光线,它的一些光接近黑洞时会发生轻微偏转,有些光线甚至更接近黑洞,绕着黑洞旋转一圈,之后逃脱黑洞引力束缚,按照邻近黑洞的光线由远至近以此类推,当我们观察更邻近黑洞的光线时,所观测到的不同扭曲偏转程度的光线,可推演出相同星系的“多个版本”。

来自背景星系的光围绕黑洞旋转的次数越多,它通过黑洞的距离就越近,因此我们可以在几个方向上看到同一个星系

来自背景星系的光围绕黑洞旋转的次数越多,它通过黑洞的距离就越近,因此我们可以在几个方向上看到同一个星系

简单地讲,如果我们站在黑洞之外的某个位置观察,会有无数光的轨迹进入我们的观测范围,让我们看到同一个背景星系的不同版本图像,随着距离黑洞越来越近,光绕行黑洞的次数也就越多,人们所观测到的图像版本也更多。这意味着,如果从地球角度观测就会发现黑洞图像会变得越来越“压缩”,越邻近黑洞的图像就越被“拉扯”趋近环形结构,发生扭曲变形。对此物理学家提出困扰多年的一个问题:从一张黑洞图像到下一张图像的变化,意味着需要向黑洞靠近多少程度?

事实上,这个答案早在 40 年前就已得出,大约是 500 倍,目前更准确地讲该答案是 “2 π的指数函数”,即 e2 π,相当于 535.4916555247647 倍。

计算该数据是非常复杂的,以至于几十年以来,科学家始终未推算出一种合理的数学和物理理论,来解释为什么大约 500 倍的根源,但是宇宙黎明中心研究生斯奈本运用一些微妙的数学技巧,成功地使用数学公式恰当描述黑洞如何影响宇宙光线,据悉,宇宙黎明中心是尼尔斯·玻尔研究所和 DTU 空间研究所的一个基础研究中心。

斯奈本解释称,现在理解为什么这些黑洞图像会以如此微妙的方式重复,是一种非常有趣的事情,最重要的是,这将提供新的机会衡量我们对引力和黑洞的理解认知。

使用数学方法证明某种宇宙现象具有一定的说服力,事实上,这使我们更接近理解神秘的黑洞现象 。“500 倍”因子直接来自于黑洞和引力的工作原理,所以重复黑洞图像现成为一种检查测试引力的重要方法。

旋转的黑洞

从“正面角度”观测到的黑洞周围的宇宙光,也就是我们如何从地球上观察它。结果显示,我们越近距离观察黑洞,星系的“额外图像”就越被挤压和扭曲

从“正面角度”观测到的黑洞周围的宇宙光,也就是我们如何从地球上观察它。结果显示,我们越近距离观察黑洞,星系的“额外图像”就越被挤压和扭曲

e2 π这一数学公式直接与黑洞以及引力运行方式有关,该方法不仅适用于最简单的“史瓦西黑洞”数学模型,同样能推广适用于旋转黑洞,事实上,旋转黑洞在宇宙中更为常见。

斯奈本解释称,当黑洞旋转得非常快,就不必再以 500 倍的系数接近黑洞,而是该数值明显下降。事实上,伴随着越接近黑洞,每张黑洞的变化系数将减少,降低至 50 倍 、5 倍,甚至在接近黑洞边缘是为 2 倍。

每一张新图像都要比前一张接近黑洞 500 倍,越接近黑洞就意味着这些图像很快就会“压缩”成一个环状图像,最终我们可能有许多图像都很难观测到。但当黑洞旋转时,就会有更多的空间来容纳“额外图像”,斯奈本称,所以我们希望在不久的将来通过深入观测进而证实该理论,这样不仅能了解黑洞,还能更深入洞察黑洞所在的星系秘密。

光在黑洞中传播时间越长,其环绕黑洞的次数就越多,因此图像的“延时效果”就越明显,例如:如果某颗恒星在背景星系中爆炸成为一颗超新星,人们就能一次次地看到此类爆炸。

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