简介：黑洞的疯狂扭曲
此图为艺术家想象模拟出的黑洞
虽然很难直接想象出黑洞周围的阴影和空间的样子 ， 但想象力却不是天文学家工具箱里面唯一的工具 。
基于多年的观察和分析 ， 黑洞可视化的研究有着数十年的历史传统 ， 这可以一直追溯到20世纪70年代法国天文学家让-皮埃尔·鲁米内 。
令人着迷的是 ， 当一个庞大的国际科学家团队最终直接捕捉到一个超大质量黑洞的真实图像——现在著名的M87* ， 之前的模拟结果竟然和我们这次看到的非常接近 。 所以我们知道我们的传统预测是非常准确的 。
此图为科学家捕捉到的M87*图
因为涉及到强烈的引力场 ， 物质会变得非常不正常 。 光线会弯曲、其强度也会发生变化 ， 这些变化都与它的移动方向有关 。 但如果不仅仅是一个黑洞 ， 而是两个 ， 并且它们被共同的运行轨道引力锁定 ， 发光的尘埃和气体被他们各自吸引 ， 堆积起来盘绕着他们的轨道运行 ， 会发生什么呢？
我们或许可以从NASA最新的研究中找到答案 ， 他们正在对极其复杂的黑洞进行可视化研究 。
此图为2017年艺术家对双星黑洞的想象图
美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家杰里米·施尼特曼（Jeremy Schnittman）在先前的工作中曾模拟出一个黑洞及围绕着它旋转的吸积盘 ， 在此基础上 ， 我们将两个黑洞扔在一起 ， 会发生什么呢？
艺术家对即将相撞的双星黑洞的想象图
“我们正在观测两个超大质量的黑洞 ， 较大的那个质量为2亿个太阳系 ， 而另一个较小的黑洞是大黑洞质量的一半 。 ” 他解释道 。
“在这类双星黑洞系统中 ， 我们认为这两个黑洞都可以持续维持它们各自的吸积盘达数百万年 。 ”
模拟开始 ， 当这两个超大质量黑洞彼此围绕轨道运行时 ， 你只要从上往下看就会发现 ， 每个黑洞的中间都有一个黑洞阴影 ， 阴影的周围被一个很宽的吸积盘环绕着 。
吸积盘的内缘和黑洞阴影之间的薄环我们称之为光子环 ， 在那里引力是如此强大 ， 以至于众多光子被困在一个围绕黑洞的稳定轨道上 。 如果这些光子朝着更接近黑洞的地方转向 ， 它们就会落到视界之外 ， 也就是我们看不到它们的地方 。
随着模拟的继续 ， 观察者的视角向下移动到这两个黑洞的轨道平面 。
起初 ， 模拟看起来很像你可能曾经看到过的其他模拟 ， 圆盘的光在背面弯曲形成光环 ， 黑洞阴影前面的光随着它向观察者移动而来变亮 ， 随着它离开而变暗 。 这就是所谓的相对论性光子束 ， 它是由多普勒效应引起的 ， 该效应表明 ， 波（本文中 ， 是光波）基于其传播方向的不同会发生十分明显的变化 。
【天文|一个视角，两个可视面——你难以想象的双星黑洞】然后模拟就变得非常奇怪 ， 非常快速了 。
施尼特曼用了两种不同的颜色来代表这两个黑洞 ， 因为当引力场发生弯曲和扭曲 ， 导致光线通过复杂的弯曲路径时 ， 可以使它们更容易被区分开开来 。 由于受到双星黑洞引力的影响 ， 每个黑洞的光线变得更加扭曲 。 这是用一台功能强大的超级计算机计算出来的结果 。
然后 ， 视角自上而下移动 ， 放大视角中的一部分 ， 围绕着一个黑洞移动的光子环同时也是其黑洞同伴的侧面视角 。 这是因为光线被弯曲成了90度 ， 这意味着我们同时可以既看到每个黑洞自上而下的样子和又可以看见他们扭曲的侧面视图 。
此为4处视角的放大图
“这种新的可视化技术的一个显著特点就由引力透镜产生的图像具有自相似性 ， ” 施尼特曼说 。 ”放大任一个黑洞 ， 就会显示出其伴侣的多张越来越扭曲的图像 。 ”
事实上 ， 引力透镜是一种观察空间更深区域的有用工具 ， 因为它具有放大作用 ， 并且经常可以复制更远的物体 。 星系和星系团也是引力透镜 ， 尽管他们这类有透镜的物体看起来并没有和由两个活跃的超大质量黑洞形成的图像一样弯曲和奇怪 。
直接成像一个黑洞是一项工作量巨大的工作 ， 而超大质量的双星黑洞非常罕见 ， 因此我们不太可能很快看到施尼特曼可视化的真实版本——但这样的模拟仍然可以帮助我们了解超大质量黑洞周围极端环境形成的物理现象 ， 以便我们能更好地分析观察到的情况 。
另外 ， 它们看起来真的很棒 ， 不是吗？
BY: MICHELLE STARR
FY: 静守蔡徐坤
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