丹麦玻尔研究所学生:提出一组新的数学方程可精确描述黑洞反射

发表在这一期的《自然》子刊《科学报告》的一篇重要论文中,一位科学家提出了一组新的数学方程,“可以精确地描述黑洞周围扭曲的光是如何反射的”。

丹麦玻尔研究所学生:提出一组新的数学方程可精确描述黑洞反射

论文题为:“黑洞光子环周围的发散反射”,论文作者是丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的一位在读大学生、阿尔伯特·斯内彭(Albert Snepppen)。

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以发布有关科学研究、发现和成果文章著称的科学网站ScienceAlert发表文章评论,题为:“我们现在有精确的数学来描述黑洞如何反射宇宙”,称“这组新的方程可以精确地描述宇宙在黑洞周围扭曲的光中出现的反射。”

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根据斯内彭提出的这一数学解决方案,每次反射的接近程度取决于相对于黑洞的观察角度和黑洞的自转速率。

ScienceAlert评价说,“这真的很酷,绝对的,但不仅仅是真的很酷,它还可能为我们提供一种新工具来探测这些极端物体周围的引力环境。”

斯内彭表示说:“现在理解为什么这样的图景以如此优雅的方式重复自己,确实一些令人非常美妙的东西。” “最重要的是,它提供了新的机会来测试我们对引力和黑洞的理解。”

我们通常提到黑洞,最著名的就是它们的极端的引力。具体来说,超过一定的半径范围,即使是宇宙中可达到的最快速度,即真空中的光速,也不足以达到所谓的黑洞逃逸速度。

如图所示一个发光的气体盘旋入黑洞,电影《星际穿越》中的一个发光气体盘旋入黑洞“Gargantua”。由于空间围绕黑洞弯曲,因此可以环顾其远侧并看到气体盘的一部分,否则该部分将被黑洞隐藏。 斯内彭的研究结果现在加深了对这种机制的理解。

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这个逃逸不出黑洞的不归路的范围被称为事件视界——由所谓的史瓦西半径定义的——这就是为什么我们说即使是光也无法从黑洞引力中逃脱。

然而,就在这个黑洞事件视界之外,其环境也非常之古怪。引力场是如此强大,以至于时空的曲率几乎是被弯曲成了圆形的。

进入这个空间的任何光子自然都必须遵循这个曲率。这意味着,从我们的观察角度来看,光的路径似乎是扭曲和弯曲的。

在这个空间的最内边缘,就在事件视界之外,可以看到论文标题中所提到的黑洞光子环,其中光子在黑洞周围的环形轨道上多次绕行,最后要么是落入黑洞內,要么逃逸到太空中。

这意味着来自黑洞后面远处物体的光可以被放大、扭曲和“反射”几次,天文物理学家将这种现象称为引力透镜效应;这种效应也可以在其它的大质量天体附近情况下看到,是研究宇宙的有用工具和手段之一。

引力透镜效应是爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象,科学家们知道这种效应已经有100多年的历史了,科学家们已经发现,你越靠近黑洞,你看到的远处物体的反射就越多。

如图所示“正面”看到的情况,即我们如何从地球上实际观察它。越靠近黑洞,星系的额外图像变得越来越挤压和扭曲。

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为了从所观察的一张反射图像到下一张反射图像,需要在距离黑洞光学边缘或自然常数e的2π次方 ,即 e^2π 这样的指数值,即约535.5倍的地方观察,但过去很难用数学方法来描述为什么会出现这种情况。

论文作者斯内彭的方法是通过使用一个二阶微分方程重新制定光轨迹,并量化其线性稳定性。他发现他的解决方案不仅在数学上描述了为什么图像在 e^2π 的距离上重复,而且它可以用于旋转的黑洞——而且重复距离取决于自旋。

如图所示一个遥远的星系向四面八方照射——它的一些光靠近黑洞并被轻微偏转;一些光线甚至更近,并在逃逸到我们面前之前绕洞一周,以此类推。在黑洞附近看,我们看到越来越多的同一个星系版本,离我们正在观察的黑洞边缘越近。

来自背景星系的光越来越多地围绕黑洞,它越靠近黑洞,因此我们在几个方向上看到同一个星系。

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斯内彭解释说,“事实证明,当它旋转得非常快时,你不再需要以500多倍的距离上接近黑洞,但要少得多,” “事实上,现在每张图像只需要有50倍,或5倍,甚至下降到离黑洞边缘更近的两倍。”

计算它是如此复杂,以至于过去一直没有形成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。但是通过使用一些聪明的数学技巧,斯内彭现在成功地证明了原因。

用数学方法证明某些东西不仅本身令人满意;事实上,它使我们更接近于理解这一奇妙的现象。这样的数学因子直接来自黑洞和重力的工作方式,因此图像的重复现在成为检查和测试引力的一种方式。

将来,黑洞附近的无限图像不仅可以成为研究黑洞时空物理学的工具,还可以成为研究它们背后的其它星系的工具。

参考:https://www.nature.com/articles/s41598-021-93595-w

由 空山清雨 投递,如有侵权请联系,页面网址:https://www.maamx.com/914.html

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