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為什麼星際效應裡的黑洞長那樣?

  • 文:卜宏毅│加拿大圓周理論物理研究所博士後研究員,事件視界望遠鏡核心成員

在上一篇文章下一站:黑洞中提到星際效應裡的黑洞畫面可是科學的很 , 但為什麼黑洞看起來會是那樣呢? 黑洞是怎麼彎曲周遭光線而形成這樣的影像呢?

讓我們用三個步驟重現這經典場景吧!

步驟一: 想像我們把一片很大的CD片放在一個靜止黑洞的周圍, 並讓黑洞位於CD中央原孔內的中心, 接著再塗上顏色方便辨識。這時, 如果我們從位在CD上方的遠方觀察,會看到如圖一左上的景象。是不是和我們根據日常生活經驗所預期的樣子不一樣呢?這不一樣的原因,正是因為光線在黑洞附近路徑變得彎曲,而造成的奇怪結果。注意CD中心的空洞處還又出現了一個小圈! 這是因為盤子內緣發出的光線,被黑洞偏折而到達觀察者的眼睛所形成的影像(圖一右上示意圖)。

圖一:把塗上顏色的原盤放在一個靜止黑洞周圍所見的影像。 上圖為觀測者位在原盤上方遠處觀察到的影像,下圖為觀測者位在圓盤側方遠處所觀察到的影像。上下圖的右方示意圖顯示出光線被黑洞彎曲後到達遠方觀察者的路徑。

圖一:把塗上顏色的原盤放在一個靜止黑洞周圍所見的影像。
上圖為觀測者位在原盤上方遠處觀察到的影像,下圖為觀測者位在圓盤側方遠處所觀察到的影像。上下圖的右方示意圖顯示出光線被黑洞彎曲後到達遠方觀察者的路徑。

步驟二:接著,我們慢慢地移動到CD的側面來觀察。這時會看到圖一左下的景象。 因為光線彎曲的關係,即使我們位於CD的側面,還是可以看到離我們較遠那一側的盤面,而且其上面和下面的盤面都看得到(圖一右下示意圖)!

圖二;相較於一個靜止黑洞而言,一個旋轉黑洞進一步讓周圍的時空也跟著“旋轉”。這樣的效應讓由黑洞左側和右側逃逸的光線路徑變得不對稱,而造成不對稱的影像。

圖二;相較於一個靜止黑洞而言,一個旋轉黑洞進一步讓周圍的時空也跟著“旋轉”。這樣的效應讓由黑洞左側和右側逃逸的光線路徑變得不對稱,而造成不對稱的影像。

步驟三: 轉動吧,黑洞! 在一個旋轉黑洞的周圍 ,在一個旋轉黑洞的周圍 ,時空也會朝著某個特定的方向"旋轉"(稱為"參考系拖曳效應“。但旋轉時空要怎麼想像呢? 暫待下回分解!)。當我們繼續在CD側面的遠方觀察時,旋轉時空對從黑洞左邊和右邊逃離的光線,會有不同的影響。當黑洞越轉越快 這樣的效應越來越明顯,影像也越來越不對稱(圖二)

最後謎底揭曉: 《星際效應》裡的黑洞畫面,原來是發光物質位於一個旋轉黑洞周圍的盤面上所形成的影像!下面的動畫顯示了步驟一到三的連續畫面。

考慮發光物質為在黑洞周圍的盤面上可是有原因的呢!原來物質在掉入黑洞時,在特定的狀況下會形成類似CD盤的盤狀結構,稱為"吸積盤“。 吸積盤本身會旋轉,而且其內緣(就像是CD片中心開孔的大小)還跟黑洞轉動的快慢有關。在黑洞附近的吸積盤轉動的非常快,因為都卜勒效應的關係,會讓迎面我們而來的那側的吸積盤比遠離我們而去的那側的吸積盤更為明亮(圖三)。電影中選擇了不加入這樣的效應,讓黑洞畫面更為明亮誘人!

圖三:把塗上顏色的圓盤改成發光物質,我們就得到類似電影《星際效應》中的黑洞畫面啦(上方圖)!如果進一步考慮都卜勒效應,盤面上迎面而來的發光物質,會相較於遠離而去的發光物質較為明亮些(下方圖)。

圖三:把塗上顏色的圓盤改成發光物質,我們就得到類似電影《星際效應》中的黑洞畫面啦(上方圖)!如果進一步考慮都卜勒效應,盤面上迎面而來的發光物質,會相較於遠離而去的發光物質較為明亮些(下方圖)。

 

延伸閱讀:The Science of Interstellar


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