黑洞如何影响着来自宇宙的光？

来源：原理

你一定对黑洞不陌生，它们是宇宙中最惊人的一类天体，是一种连光都无法逃逸的奇妙的引力团块。

黑洞是由奇点的存在定义的，它的“边界”就是事件视界。无论什么东西，一旦进入这个边界便有去无回，再也无法逃脱。

你很可能也听说过，由于极端的引力，黑洞附近的时空结构会被改变和扭曲，空间甚至时间的行为都很奇怪。空间会发生急剧弯曲，光线也会发生偏转。在一些极端情况下，非常靠近黑洞的光线可能偏转得很厉害，甚至会在黑洞周围绕上好几圈，然后才逃逸。

这样一来，当我们观察宇宙时，会发现很多有趣的现象。近日，尼尔斯·玻尔研究所的一位硕士研究生提出了一种最新的数学表达方法，恰当地描述出了黑洞如何影响着来自宇宙的光。研究已于近日发表在《科学报告》上。

如果一个黑洞出现在我们和一个遥远的背景星系（或者其他天体）之间，这个星系或许“安然无恙”，但我们看到的图像就未必了。

这个星系会向各个方向发出光芒，一些光相对来说离黑洞没那么近，它们会轻微地发生偏转。还有一些光离黑洞更近一些，它们可能绕着黑洞转了一圈，然后再逃逸。还有一些离黑洞更近的光可能绕着黑洞转了两圈甚至更多……以此类推。

来自背景星系的光距离黑洞越近，环绕黑洞的圈数就越多，因此我们会看到同一个星系的不同图像。" 图片来源：nbi.cu.dk

简单来说，如果我们站在事件视界之外的某个位置观察，会有无数光的轨迹进入我们的眼睛，让我们看到同一个背景星系的不同版本的图像。随着距离事件视界越来越近，光绕行黑洞的次数就越多，所看到的图像版本也更多。

如果我们从地球上观测，就会发现图像会变得越来越“压缩”，越靠近黑洞的图像越会被“拉扯”成趋近环形，发生扭曲和变形。这就给物理学家留下了一个关系的问题：从一张图到下一张图的变化，意味着需要向黑洞更靠近多少程度？

实际上，这个系数的答案在40多年前已经得到，大约是500倍，更精确地说是e2π（535.4916555247647……）。这可以简单理解成，多绕一圈的光创造出的新图像，与黑洞的距离只有上一张图像的约500分之一。

尽管我们已经知道了这一系数，但它背后的计算却格外复杂，科学家一直没有发展出一种合理的数学和物理解释，很好地说明为什么恰好是这个数字。

在新研究中，阿尔伯特·斯内彭（Albert Sneppen）利用一些巧妙的数学技巧和模拟，成功揭开了背后的原因，用完整的数学再次确认了这一数值，也让我们对这种神奇现象有了更进一步的理解。

根据分析，e2π这一系数直接与黑洞以及引力的运作方式有关。研究还发现，这种新方法不仅适用于数学上最简单的那种“简单版本”的史瓦西黑洞，它同样能够推广适用在旋转黑洞上。事实上，旋转黑洞在宇宙中更为常见。

当黑洞旋转得非常快时，这一系数的数值将明显下降。这个系数实际上还代表了图像在黑洞周围被“压缩”的速度，“e2π”这么大的数值意味着，图像会被快速压成环形，也就是说，许多图像在实际操作中可能很难被观测到。然而系数数值的下降或许暗示着，在旋转黑洞的周围有了更多创造图像的余地，这为观测黑洞以及它们背后的遥远星系带来了新的可能。

斯内彭希望，这一研究能够真正帮助相关的观测。这样，我们不仅可以了解黑洞，还有机会认识黑洞背后的更多星系。

在某些情况下，我们可能还有机会“观看”反复“播放”的宇宙电影。随着光的传播时间增加，它环绕黑洞的次数就越多，因此图像就会变得越来越“延迟”。例如，假如有一颗恒星在背景星系中以超新星的形式爆发，科学家或许就能一次又一次地看到这种爆炸。

#创作团队：

编译：Måka

#参考来源：

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

#图片来源：

封面来源：NASA / JPL-Caltech