在本周上映的科幻电影《星际穿越》中，马修·麦康纳饰演一名宇航员，他与一个名为加甘图阿的超大质量黑洞作斗争。这部电影的特效被誉为有史以来对这类宇宙物体最真实的描绘。
但天体物理学家现在做得更好了。他们首次计算出，如果两个黑洞——根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，每个黑洞都剧烈地扭曲着空间和时间结构——相互螺旋并合并，观察者会看到什么。研究人员的模拟（见下面的视频）揭示了每个黑洞的图像如何围绕另一个黑洞旋转，并在快速变化的万花筒中倍增。纽约州伊萨卡市康奈尔大学的安迪·博恩和他的同事于 10 月 30 日在arxiv.org 存储库上发表的一篇论文中公布了结果。
加州理工学院帕萨迪纳分校的广义相对论理论家基普·索恩说，据他所知，“以前从未有过对碰撞和合并黑洞引力透镜效应的可视化”。他称这些结果“令人着迷”。索恩的电影想法最终发展成《星际穿越》，并且他在制作过程中担任顾问。索恩是加州理工学院相对论理论小组的联合创始人，该小组与康奈尔大学天体物理学家合作进行了最新的模拟，但他并未参与博恩及其同事的研究。
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阴影游戏
博恩的团队从现有的螺旋黑洞如何使时空变形的模拟开始。 在此背景下，他们计算了光线从相机镜头向后穿过严重扭曲的时空的光路。 博恩指出，在先前对此类光学效应的研究中，研究人员仅研究了微弱的引力透镜效应，其中光线的路径偏转不超过 0.003 度。
正如预期的那样，每个黑洞都投下自己巨大的阴影，呈环形或斑点状，这是由于背景光被每个引力野兽吸收并阻止到达相机造成的。 当其中一个黑洞的阴影被另一个黑洞的引力扭曲时，出现了许多较小的阴影，形状像眉毛。 但这项工作也揭示了一些令人惊讶的事情。 似乎有无数个这样的眉毛，每一个都对应着在光线到达相机之前围绕合并的黑洞轨道运行不同次数的光线。
对于质量相同的合并黑洞，博恩和他的同事发现了一个有趣的特征：当物理学家在他们的模拟中放大到越来越小的空间尺度时，眉毛重复相同的结构模式。 博恩说，这种自相似或“分形”模式对于如此复杂的系统来说是出乎意料的。
加州州立大学富勒顿分校的天体物理学家杰弗里·洛夫莱斯指出：“这项工作很重要，因为许多最重要的天体物理动力学时空，如合并黑洞，只能使用计算机模拟来探索。” 他没有参与该发现团队。 虽然有几个研究小组模拟了合并黑洞，“但这里新颖而令人兴奋的是，博恩和合作者设计了一种方法来追踪光线穿过这些模拟时空的方式，以了解附近的观察者会看到什么，”他补充道。
《星际穿越》中的可视化也是通过引力透镜效应来描绘的，并使用了类似的射线追踪技术，但分辨率要高得多，才能满足 IMAX 电影的要求，索恩指出。 电影中的图像显示了一个被吸积盘包围的超大质量黑洞——一个漩涡状的物质盘，为这个怪物提供食物，而博恩的团队研究了两个没有吸积盘的碰撞黑洞。 博恩说，典型的黑洞，其重量大约与一颗大型恒星相当，没有吸积盘。（超大质量黑洞的重量可以达到数百万或数十亿颗类似太阳的恒星。）
博恩认为，他的团队的研究是探索观察者如果看到一个被称为中子星的死亡致密恒星与黑洞合并时会看到什么的垫脚石。 这是一个更复杂的问题，因为研究人员必须考虑中子星自身的光，当这颗恒星被黑洞撕裂时，它会在爆炸性爆发中发射出来。
博恩说，射线追踪技术应该使该团队能够生成这些合并的详细图像。 这可能会产生光学指纹，天文学家可以在搜寻天空寻找这些罕见但重要的碰撞时进行搜索。
本文经许可转载，并于 2014 年 11 月 6 日首次发表。