在本週上映的科幻電影《星際穿越》中，馬修·麥康納飾演一名宇航員，他與一個名為加甘圖阿的超大質量黑洞作鬥爭。這部電影的特效被譽為有史以來對這類宇宙物體最真實的描繪。
但天體物理學家現在做得更好了。他們首次計算出，如果兩個黑洞——根據阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，每個黑洞都劇烈地扭曲著空間和時間結構——相互螺旋併合並，觀察者會看到什麼。研究人員的模擬（見下面的影片）揭示了每個黑洞的影像如何圍繞另一個黑洞旋轉，並在快速變化的萬花筒中倍增。紐約州伊薩卡市康奈爾大學的安迪·博恩和他的同事於 10 月 30 日在arxiv.org 儲存庫上發表的一篇論文中公佈了結果。
加州理工學院帕薩迪納分校的廣義相對論理論家基普·索恩說，據他所知，“以前從未有過對碰撞和合並黑洞引力透鏡效應的視覺化”。他稱這些結果“令人著迷”。索恩的電影想法最終發展成《星際穿越》，並且他在製作過程中擔任顧問。索恩是加州理工學院相對論理論小組的聯合創始人，該小組與康奈爾大學天體物理學家合作進行了最新的模擬，但他並未參與博恩及其同事的研究。
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陰影遊戲
博恩的團隊從現有的螺旋黑洞如何使時空變形的模擬開始。 在此背景下，他們計算了光線從相機鏡頭向後穿過嚴重扭曲的時空的光路。 博恩指出，在先前對此類光學效應的研究中，研究人員僅研究了微弱的引力透鏡效應，其中光線的路徑偏轉不超過 0.003 度。
正如預期的那樣，每個黑洞都投下自己巨大的陰影，呈環形或斑點狀，這是由於背景光被每個引力野獸吸收並阻止到達相機造成的。 當其中一個黑洞的陰影被另一個黑洞的引力扭曲時，出現了許多較小的陰影，形狀像眉毛。 但這項工作也揭示了一些令人驚訝的事情。 似乎有無數個這樣的眉毛，每一個都對應著在光線到達相機之前圍繞合併的黑洞軌道執行不同次數的光線。
對於質量相同的合併黑洞，博恩和他的同事發現了一個有趣的特徵：當物理學家在他們的模擬中放大到越來越小的空間尺度時，眉毛重複相同的結構模式。 博恩說，這種自相似或“分形”模式對於如此複雜的系統來說是出乎意料的。
加州州立大學富勒頓分校的天體物理學家傑弗裡·洛夫萊斯指出：“這項工作很重要，因為許多最重要的天體物理動力學時空，如合併黑洞，只能使用計算機模擬來探索。” 他沒有參與該發現團隊。 雖然有幾個研究小組模擬了合併黑洞，“但這裡新穎而令人興奮的是，博恩和合作者設計了一種方法來追蹤光線穿過這些模擬時空的方式，以瞭解附近的觀察者會看到什麼，”他補充道。
《星際穿越》中的視覺化也是透過引力透鏡效應來描繪的，並使用了類似的射線追蹤技術，但解析度要高得多，才能滿足 IMAX 電影的要求，索恩指出。 電影中的影像顯示了一個被吸積盤包圍的超大質量黑洞——一個漩渦狀的物質盤，為這個怪物提供食物，而博恩的團隊研究了兩個沒有吸積盤的碰撞黑洞。 博恩說，典型的黑洞，其重量大約與一顆大型恆星相當，沒有吸積盤。（超大質量黑洞的重量可以達到數百萬或數十億顆類似太陽的恆星。）
博恩認為，他的團隊的研究是探索觀察者如果看到一個被稱為中子星的死亡緻密恆星與黑洞合併時會看到什麼的墊腳石。 這是一個更復雜的問題，因為研究人員必須考慮中子星自身的光，當這顆恆星被黑洞撕裂時，它會在爆炸性爆發中發射出來。
博恩說，射線追蹤技術應該使該團隊能夠生成這些合併的詳細影像。 這可能會產生光學指紋，天文學家可以在搜尋天空尋找這些罕見但重要的碰撞時進行搜尋。
本文經許可轉載，並於 2014 年 11 月 6 日首次發表。