NASA的一部新的可视化影片中,一对质量太阳几百万倍的轨道黑洞进行了催眠式的表演。这部影片描绘了黑是如何扭曲和重定向围绕在每个黑洞的热气体漩涡(称为吸积盘)发出的光。

从轨道平面附近看,每个吸积盘都呈现出特有的双峰状。但是,当一个黑洞从另一个黑洞前面经过时,前景黑洞的引力将另一个黑洞转变为快速变化的弧形序列。当来自两个吸积盘的光线在黑洞附近纠结的空间和时间结构中穿行时,这些扭曲就会发生。

探索两个环绕超质量黑洞的极端引力如何扭曲我们的视野。在这个可视化图中,明亮、炽热、搅动的气体盘环绕着两个黑洞,用红色和蓝色显示,以便更好地追踪光源。红色吸积盘围绕着较大的黑洞运行,它的重量是我们太阳质量的2亿倍,而它较小的蓝色黑洞的质量只有红色黑洞的一半。放大每一个黑洞,就能看到另一个黑洞的多个越来越扭曲的图像。观看视频了解更多信息。
视频来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman and Brian P. Powell

“我们看到了两个超大质量黑洞,一个更大的有2亿太阳质量,一个较小的只有另一个黑洞质量的一半,”杰瑞米·施尼特曼(Jeremy Schnittman)说,他是位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的天体物理学家。“这是一种双黑洞系统,我们认为这两个黑洞都可以维持吸积盘持续数百万年。”

吸积盘具有不同的颜色,红色和蓝色,以便更容易跟踪光源,但这种选择也反映了现实。温度较高的气体发出的光接近光谱的蓝色端,围绕较小黑洞运行的物质受到更强的引力作用,从而产生更高的温度。对于这些物质,两个吸积盘实际上都以紫外线的形式发出大部分光,蓝色的吸积盘温度略高。

这样的可视化有助于科学家们描绘出极端重力的哈哈镜的迷人结果。这段新的视频在比施尼特曼(Schnittman)制作的早期视频的基础上增加了一倍,该视频从不同角度展示了一个孤独的黑洞。

侧面看,吸积盘在一侧明显更亮。引力扭曲改变了来自吸积盘不同部分的光路,产生了扭曲的图像。黑洞附近气体的快速运动通过一种叫做多普勒加速的现象改变了吸积盘的亮度——这是爱因斯坦相对论的一种效应,它使旋转向观察者的一侧变亮,而使旋转向观察者的另一侧变暗

该可视化还显示了一种更微妙的现象,称为相对论像差。当黑洞接近观察者时,黑洞显得更小,而当黑洞远离观察者时,黑洞显得更大。

当从上方观察系统时,这些效应消失了,但出现了新的特征。这两个黑洞都能产生围绕其轨道运行的黑洞的小图像。仔细看,很明显这些图像实际上是侧面视图。为了产生这些图像,来自黑洞的光必须被重定向90度,这意味着我们同时从两个不同的角度(面朝上和边朝上)观察黑洞。

该系统的正面图像突出了小黑洞与其大黑洞的扭曲图像(插图)。为了到达摄像机,较小的黑洞必须将来自红色黑洞的光线弯曲90度。这副图像的吸积盘呈现为一条线,这意味着我们看到的是红色黑洞的侧面——同时也从上面看到它。蓝色吸积盘的二次图像也在最靠近大黑洞的明亮光圈外形成。
图片来源:NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman and Brian P. Powell

“这种新的可视化技术的一个引人注目的方面是引力透镜产生的图像的自相似性,”施尼特曼解释说,“放大到每个黑洞,可以看到它的黑洞越来越多扭曲的图像。”

施尼特曼通过计算来自吸积盘的光线在穿过黑洞周围扭曲的时空时所采取的路径,创造了这个可视化影像。在现代台式电脑上,制作电影帧所需的计算需要花费大约十年的时间。于是,施尼特曼与戈达德数据科学家布莱恩·P·鲍威尔(Brian P. Powell)合作,使用NASA气候模拟中心的Discover超级计算机。仅使用Discover的12.9万个处理器中的2%,这些计算花了大约一天的时间。

天文学家希望在不久的未来,他们能侦测到类似此例这种超大质量黑洞系统,在回旋靠近及合并时,所发出的引力波(或称为时空结构上的涟漪)。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/new-nasa-visualization-probes-the-light-bending-dance-of-binary-black-holes

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