最新数学公式可精确描述黑洞如何扭曲宇宙光

发表于 3年以前 | 总阅读数：588 次

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

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

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。