美國太空總署對互繞超大質量黑洞進行可視化模擬


雖然直接拍攝黑洞和它周圍的空間非常困難,但這並不是天文學家觀察黑洞的唯一方法,基於多年的觀察和分析,有一個長達數十年的黑洞視覺化計劃,可以追溯到法國天文學家尚·皮埃爾·魯米內(Jean-Pierre Luminet)在20世紀70年代的工作。

當一個龐大的國際科學家團隊最終捕捉到一個超大質量黑洞的直接影像,亦即著名的M87*,黑洞視覺化模擬非常接近我們所看到的,這證明該計劃的預測是非常準確,由於涉及到極強的重力場,光線會發生扭曲,強度也會隨著它所彎曲的方向而改變。

那麼,如果不是一個,而是兩個黑洞鎖在相互的軌道上,每個黑洞都有自己的重力,每個黑洞都由自己發光的塵埃和氣體吸積盤環繞,會發生什麼呢?它看起來可能會像美國太空總署最新發佈的黑洞視覺化影像。美國太空總署戈達德太空飛行中心把兩個黑洞湊合在一起,一個較大的有兩億太陽質量,另一個較小的只有前者的一半,這種雙黑洞系統,科學家認為兩者都可以維持吸積盤持續數百萬年。

模擬影片的前半段,就好像你從上往下俯瞰兩個超大質量黑洞繞著對方旋轉,它們的中心是黑洞暗影,一個寬闊的吸積盤包圍着。

位於吸積盤內緣和黑洞暗影之間的這個薄環稱為光子環(photon ring),這裡的重力場非常強,以至於光子被困在黑洞周圍的穩定軌道上無法逃離,如果這些光子離黑洞再近一點,它們就會落在視界以內,我們就看不到它們。隨着模擬繼續,觀察者的視角向下移動到兩個黑洞的軌道平面上。

科學家用兩種不同的顏色來代表這兩個不同的黑洞,由於重力場所造成的光徑彎曲,以致光沿着複雜的彎曲路徑運動,這是透過一台強大的超級電腦運算出來。由於受到伴星重力的影響,每個黑洞的光會變得更加扭曲,這種現象又稱為重力透鏡效應。

重力透鏡效應實際上是觀察太空深處的一個工具,因為它可以放大更遠的物體,而且有時候會在我們的視線上複製出一個相同的天體。星系和星系團也可以是重力透鏡效應的一部分,儘管透鏡化的物體看起來不像兩個活躍的超大質量黑洞產生的圖像那樣極度扭曲。

直接對黑洞進行拍攝是一項非常艱鉅的工作,而互繞的超大質量黑洞更加罕見,所以我們不太可能在近期內看到這部影片的真實版本,但這樣的模擬可以幫助我們理解超大質量黑洞周圍極端環境的物理現象,使科學家能更好地分析觀測結果。

【圖:美國太空總署;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】

請按左下角「外部連結」觀看有關模擬影片

https://www.youtube.com/watch?v=rQcKIN9vj3U&t=1s

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