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黑洞扭曲宇宙形成多张图像
对黑洞的图解（图片来源：马克·格里克/科学图库）
想象在一个有趣的镜子大厅里映射了一整个星系 ， 你会看到星系的每张图像在一次次的重复下变得越来越怪诞和扭曲 。 这就是宇宙在黑洞事件视界附近的模样 ， 而黑洞也是宇宙中最扭曲的地方之一 。
虽然物理学家以前对这些区域的模样有一些想法 ， 但一项新的计算准确地模拟了在黑洞周围可以看到的景象 ， 为测试爱因斯坦的广义相对论开辟了潜在的新方法 。
一圈又一圈
黑洞附近的区域确实很奇怪 。 无论质量大小 ， 都会被黑洞一视同仁 。 光线会被黑洞的视界吞噬 ， 任何东西都无法逃脱其巨大引力的影响 。
但是如果你把一个星系放在黑洞后面 ， 从另一侧去观察 ， 你会看到一个扭曲的星系图像 。 那是因为来自星系的一些光几乎擦过黑洞的边缘 ， 但不会落入黑洞 。
由于黑洞的极端引力 ， 这样的光线会向你的视线方向弯曲 。 奇怪的是 ， 对作为观察者的你而言 ， 你看到的星系似乎离黑洞很远 ， 而不是直接在它后面 。
黑洞周围的引力是如此强烈 ， 时空如此扭曲 。 这产生的结果是在一定距离内 ， 光本身就可以绕黑洞运行 。 来自背景星系的一些光甚至被困住 ， 永远围绕黑洞循环 。
然而 ， 光线需要距离黑洞某一准确的位置 ， 才能被困在轨道中 。 它还可以以一定角度撞击黑洞 ， 使其在最终逃离之前形成一个（或多个）循环 。
看着黑洞的边缘 ， 你的眼睛会从偏转的光线中看到背景星系的一张图像 。 然后 ， 你会看到银河系的第二张图像 。 光线在逃逸前成功地绕了一个轨道 ， 然后再从绕两个轨道的光线中被观察到 ， 然后是三个 ， 依此类推 。
几十年来 ， 物理学家通过简单的估计发现 ， 每张图像都比上一张接近黑洞边缘的e2π倍 。
【宇宙哈哈镜：黑洞扭曲光线形成多张镜像图像，真的好看！】在该公式中 ， e是自然对数的底 ， 它大约等于2.7182 。 π是另一个无理数 ， 约为3.14159 ， 因此e2π得出的数字非常接近500 。 这意味着同一背景物体的每次重复比上一次更接近黑洞边缘约500倍 。
这张示意图显示了光线如何在黑洞边缘附近形成背景镜像 。
黑洞背景中的星系发出的光环绕着黑洞 ， 创造出无穷无尽的宇宙“镜像”图像 。 （图片来源：彼得劳森）
费点儿功夫
虽然物理学家可以使用纸笔计算得到这个简单的结果 ， 但如果他们仔细观察黑洞附近复杂的时空曲率 ， 他们不确定500的特殊因子是否完全准确 。
一项新研究发表的结果中 ， 丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的研究生艾伯特·斯内彭使用数值方法来模拟围绕（和逃离）黑洞附近的光线的物理特性 。 他证实 ， 在高精度的测量中 ， 500的系数仍保持不变 。 他的研究结果发表在《科学报告》杂志上 。
斯内彭在一份声明中说：“理解这些图像为何以如此优雅的方式重复自己 ， 是一件美妙的事情 。 ”
斯内彭发现500的系数只适用于简化的、不动的黑洞 。 真实宇宙中的黑洞会发生旋转 ， 这会改变了光绕它们运行的方式——这反过来又改变了图像出现的距离 。
“事实证明 ， 当黑洞旋转得非常快时 ， 你不再需要靠近它500倍的距离 ， 但要小得多 ， ”斯内彭说 ， “每张图像现在只有50或5倍 ， 甚至下降到只接近黑洞边缘的两倍 。 ”
由于黑洞的旋转扭曲了它周围的时空 ， 因此背景物体的每个连续图像都显得更平坦 。 因此 ， 最远的图像会显得相对不失真 ， 而最近的图像可能完全无法识别 。
走进游乐园
从技术上讲 ， 有无限数量的背景物体重复图像 ， 每一个都更接近事件视界 。 在实际中 ， 人类可能永远看不到它们 ， 因为即使使用最强大的望远镜 ， 也只有少数图像是可以分辨的 。
但这些少数人将为广义相对论的核心提供一个强有力的视角 ， 广义相对论是一个描述引力的数学理论 。
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