理论物理学家解决了宇宙如何在黑洞附近反射的问题

2022-02-24 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:428 /
内容摘要:
黑洞是众所周知的紧凑物体,其光路因时空弯曲而急剧弯曲。虽然光本身无法逃离事件视界的中心质量,但在更远的距离,光可能会围绕黑洞运行。这种现象可能使远处的观察者看到同一物体的多个版本。虽然这一点已经知道很多年了,但是理论物理学家直到现在才有一个精确的数学解决方案。从黑洞事件视界之外的......

黑洞是众所周知的紧凑物体,其光路因时空弯曲而急剧弯曲。虽然光本身无法逃离事件视界的中心质量,但在更远的距离,光可能会围绕黑洞运行。这种现象可能使远处的观察者看到同一物体的多个版本。虽然这一点已经知道很多年了,但是理论物理学家直到现在才有一个精确的数学解决方案。

From any location outside the event horizon of a black hole there are an infinite number of trajectories for light to an observer; each of these paths differ in the number of orbits revolved around the black hole and in their proximity to the last photon orbit. Image credit: Sci-News.com / Zdeněk Bardon / ESO.

从黑洞事件视界之外的任何位置,对于观察者来说,都有无限多的光线轨迹;这些路径中的每一条都在围绕黑洞旋转的轨道数量以及它们与最后一个光子轨道的接近程度上有所不同。影像学分:Sci-News.com/兹登克·巴登/埃索。

“一个遥远的星系向四面八方闪耀& # 8212;它的一些光靠近黑洞,被轻微偏转;一些光甚至会更近,并在向下逃逸到我们面前之前一次绕过这个洞,等等,”哥本哈根大学宇宙黎明中心和尼尔斯·玻尔研究所的学生阿尔伯特·斯内彭说。

“往黑洞附近看,我们看到的同一个星系的版本越来越多,离我们正在寻找的黑洞边缘越来越近。”

“从一幅图像看下一幅图像,你要看离黑洞有多近?这个结果已经被人们知道了40多年,大约有500次。”

“计算这个是如此复杂,以至于直到最近,我们还没有发展出一种数学和物理直觉,来解释为什么它恰好是这个确切的因素。”

通过一个简单的数值和一个扰动的解析解,斯内彭成功地证明了原因。

“现在理解为什么这些图像以如此优雅的方式重复出现,有一种奇妙的美,”他说。

“最重要的是,它为检验我们对引力和黑洞的理解提供了新的机会。”

Light from the background galaxy circles a black hole an increasing number of times, the closer it passes the hole, and an observer therefore sees the same galaxy in several directions. Image credit: Peter Laursen.

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,因此观察者可以在几个方向上看到同一个星系。影像学分:彼得·劳森。

新方法也可以推广到旋转黑洞。

“事实证明,当黑洞旋转得非常快时,你不再需要接近它500倍,而是明显更少,”斯内彭说。

“事实上,每张图像现在只有50张,或者5张,甚至更接近黑洞边缘的两倍。”

对于每一张新的图像,都必须在黑洞附近看500次,这意味着图像很快被“挤压”成一张图像。

“实际上,许多图像将很难观察到,”他说。

“但是当黑洞旋转时,有更多的空间来容纳额外的图像,所以我们可以希望在不太远的将来从观测上证实这个理论。”

“通过这种方式,我们不仅可以了解黑洞,还可以了解黑洞背后的星系。”

“光的传播时间越长,它绕黑洞的次数就越多,因此图像变得越来越延迟。”

“例如,如果一颗恒星在背景星系中爆炸成超新星,人们将能够一次又一次地看到这种爆炸。”

这项研究发表在《科学报告》杂志上。

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A.斯内普本。2021.黑洞光子球周围的发散反射。Sci Rep 11,14247;doi:10.1038/s 14598-021-93595-w