宇宙哈哈镜：黑洞扭曲光线形成多张镜像图像，真的好看！

黑洞扭曲宇宙形成多张图像

对黑洞的图解（图片来源：马克·格里克/科学图库）

想象在一个有趣的镜子大厅里映射了一整个星系，你会看到星系的每张图像在一次次的重复下变得越来越怪诞和扭曲。这就是宇宙在黑洞事件视界附近的模样，而黑洞也是宇宙中最扭曲的地方之一。

虽然物理学家以前对这些区域的模样有一些想法，但一项新的计算准确地模拟了在黑洞周围可以看到的景象，为测试爱因斯坦的广义相对论开辟了潜在的新方法。

一圈又一圈

黑洞附近的区域确实很奇怪。无论质量大小，都会被黑洞一视同仁。光线会被黑洞的视界吞噬，任何东西都无法逃脱其巨大引力的影响。

但是如果你把一个星系放在黑洞后面，从另一侧去观察，你会看到一个扭曲的星系图像。那是因为来自星系的一些光几乎擦过黑洞的边缘，但不会落入黑洞。

由于黑洞的极端引力，这样的光线会向你的视线方向弯曲。奇怪的是，对作为观察者的你而言，你看到的星系似乎离黑洞很远，而不是直接在它后面。

黑洞周围的引力是如此强烈，时空如此扭曲。这产生的结果是在一定距离内，光本身就可以绕黑洞运行。来自背景星系的一些光甚至被困住，永远围绕黑洞循环。

然而，光线需要距离黑洞某一准确的位置，才能被困在轨道中。它还可以以一定角度撞击黑洞，使其在最终逃离之前形成一个（或多个）循环。

看着黑洞的边缘，你的眼睛会从偏转的光线中看到背景星系的一张图像。然后，你会看到银河系的第二张图像。光线在逃逸前成功地绕了一个轨道，然后再从绕两个轨道的光线中被观察到，然后是三个，依此类推。

几十年来，物理学家通过简单的估计发现，每张图像都比上一张接近黑洞边缘的e2π倍。

在该公式中，e是自然对数的底，它大约等于2.7182。π是另一个无理数，约为3.14159，因此e2π得出的数字非常接近500。这意味着同一背景物体的每次重复比上一次更接近黑洞边缘约500倍。

这张示意图显示了光线如何在黑洞边缘附近形成背景镜像。

黑洞背景中的星系发出的光环绕着黑洞，创造出无穷无尽的宇宙“镜像”图像。（图片来源：彼得劳森）

费点儿功夫

虽然物理学家可以使用纸笔计算得到这个简单的结果，但如果他们仔细观察黑洞附近复杂的时空曲率，他们不确定500的特殊因子是否完全准确。

一项新研究发表的结果中，丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的研究生艾伯特·斯内彭使用数值方法来模拟围绕（和逃离）黑洞附近的光线的物理特性。他证实，在高精度的测量中，500的系数仍保持不变。他的研究结果发表在《科学报告》杂志上。

斯内彭在一份声明中说：“理解这些图像为何以如此优雅的方式重复自己，是一件美妙的事情。”

斯内彭发现500的系数只适用于简化的、不动的黑洞。真实宇宙中的黑洞会发生旋转，这会改变了光绕它们运行的方式——这反过来又改变了图像出现的距离。

“事实证明，当黑洞旋转得非常快时，你不再需要靠近它500倍的距离，但要小得多，”斯内彭说，“每张图像现在只有50或5倍，甚至下降到只接近黑洞边缘的两倍。”

由于黑洞的旋转扭曲了它周围的时空，因此背景物体的每个连续图像都显得更平坦。因此，最远的图像会显得相对不失真，而最近的图像可能完全无法识别。

走进游乐园

从技术上讲，有无限数量的背景物体重复图像，每一个都更接近事件视界。在实际中，人类可能永远看不到它们，因为即使使用最强大的望远镜，也只有少数图像是可以分辨的。

但这些少数人将为广义相对论的核心提供一个强有力的视角，广义相对论是一个描述引力的数学理论。

2019年，事件视界望远镜——一个横跨全球的盘状网络望远镜——生成了第一张黑洞“阴影”投射在其周围气体和尘埃上的图像，这台望远镜的威力不足以捕捉背景物体的多个游乐园镜像，但未来的望远镜可以。

对望远镜观察到的镜像图像与斯内彭计算的数据进行对比，是对广义相对论前所未有的检验。例如，如果在黑洞后面有一颗超新星——一颗垂死恒星的超强爆炸，我们会看到那颗超新星爆炸多次。每张图像都会延迟一定的时间，具体取决于它绕黑洞运行的次数，从而使研究人员能够将他们的理论与现实进行比较。

我们只需要愿意凝视虚空足够长的时间。

BY:Paul Sutter

FY:董美慧

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