光如何被重力弯曲,构成黑洞的独特景象?——黑洞旅行团,出发!(上)

  • 撰文/刘咏鲲

本文转载自 CASE 科学报《黑洞旅行团,出发!(上)——弯曲的光与重力透镜》

在严峻的疫情下,虽然我们无法亲自外出旅游,但是想像力可不会被轻易束缚。今天让我们一起前往广袤的宇宙中,在那里散布着无数庞大的天体,它们扭曲从旁擦身而过的光线,形成各式独特的景象。在本篇文章中,我们将带领各位读者一起了解光线是如何被弯曲。

电影《星际效应》中,一幅令人印象深刻的画面是主角们乘着太空梭在黑洞附近时,所看到的黑洞景象(如图一)。但是以人类目前的太空实力,尚无法脱离太阳系,抵达巨型黑洞附近更是无法实现。那这幅景象只是纯粹虚构的吗?并不是,它是藉由物理理论将我们的认知延伸到遥远的宇宙彼端,让我们也有能力推测,遥远的未来,黑洞旅行团会看到的景象!

黑洞附近独特景象的原因,是因为它极为庞大的重力。因此,在讨论黑洞景象之前,我们要先来认识描述重力的理论,那便是鼎鼎有名的广义相对论。广义相对论使得人们有能力理解宇宙中发生的各种现象,其中一个重要的洞见是:「重力的本质是时空的弯曲」。这句话看起来十分抽象,以下我们举个例子试着让各位读者体会,力与时空弯曲这两件看来毫无相关的事情是如何扯上关系的。

力与弯曲空间

假设有两位蚂蚁探险家,在他们眼中,地球是一个巨大的平面。有一天,他们相约从赤道上两个不同的位置出发,拿着指北针,约好一起向正北方,以相同速度前进。在他们心中,地球是一个平面,因此两人同时向北走,路径会互相平行,应该永远不会相遇(图二a)。但经过了数个月,他们在北极点碰到了彼此,感到惊讶无比。为了解释此结果,他们推断:「由於地球是平的,我们会碰在一起,代表我们之间有某种吸引力,将我们越拉越近(图二b)」。但是我们站在第三人称的视角便会明白,他们俩最後会碰在一起,并非因为彼此之间有吸引力,而是他们所在的地球是个曲面而非平面。力与空间的弯曲似乎没有我们想像的那麽毫无关系!

爱因斯坦伟大的洞见,便是他了解到:我们时刻感受到的重力,其实本质上是具有质量的物体造成附近时空的弯曲;我们因为认为时空是平坦的,因此把他诠释为一种「力」,就如同两位蚂蚁探险家。细心的读者可能留意到,我们在此使用了「时空」,而非「空间」。相对论中,时间与空间不再互相独立,而可以互相影响。

读者可能会疑惑:重力是一种力或是时空的弯曲,这听起来只是诠释角度的不同,有实质上的差别吗?其中一个主要的差别在於对「光」的影响。古典描述重力的理论:牛顿力学,对於光通过一个大质量天体附近时,路径会如何改变的预测,和广义相对论的结果并不一致。1919 年,艾丁顿爵士在日蚀发生时,向太阳的方向观测,发现竟然能够看到理应被太阳挡住的星光。其原因便是太阳的重力造成附近的时空弯曲,遥远的星光在通过该区域时发生路径的偏折,使我们有机会在地球上看到它。

一个物体附近时空弯曲的程度,会和其质量大小有关。因此当光线通过愈大质量的天体附近时,路径的改变就会越大。这个效果就如同光线通过一个透镜时会发生偏折(如图三)。天文学中,人们会使用由透镜、反射镜等组成的望远镜来观察遥远的天体。那我们是否可以使用这些天体形成的「透镜」,来观察宇宙呢?答案是肯定的,这便是在当前天文与宇宙学领域中,一个正蓬勃发展的观测方式:重力透镜。

重力透镜

根据光线弯曲的程度(也代表着透镜天体的质量大小),重力透镜可以被分为:微重力透镜、弱重力透镜以及强重力透镜。其中强重力透镜,由於光线的弯曲程度较大,在地球上的观察者可以看到十分有趣的图像。例如爱因斯坦十字、爱因斯坦环。对此议题有兴趣的读者,可以参考[3],该文章有深入浅出的解释。

由於光线偏折的程度,与通过的天体质量有关。因此,如果我们对於光源的性质十分了解,重力透镜可以反过来提供给我们透镜天体的质量资讯。这特别适合拿来进行暗物质的分布量测。由於暗物质只透过重力和其他物质作用,它并不会放出任何的电磁波,要「看」到它,只能透过重力的效应。若是我们在宇宙中,发现某一个区域具有非常大的质量,造成通过的光轨迹有所偏移,但是我们又无法在该区域中,利用各种电磁波望远镜,看到可识别的天体,那很可能那里有致密的暗物质;再透过分析光线的弯曲情形,科学家们便可以推测出其中的暗物质质量分布。

在本篇文章中,我们向各位读者介绍了光是如何受到重力的弯曲,以及相关的应用。这个效应在黑洞附近会更为剧烈,在下一篇文章中,我们将会介绍该如何「模拟」黑洞附近的景象。

延伸阅读

本系列文章:
黑洞为什麽不黑?弯曲的光与重力透镜——黑洞旅行团,出发!(上)
巨大的黑洞反而不危险?——黑洞旅行团,出发!(中)
怎麽模拟出真实的黑洞样貌?光线追踪技术——黑洞旅行团,出发!(下)

参考资料

  • [1] 广义相对论之镜─重力透镜
  • [2] Wiki-Gravitational lens
  • [3]人类也能拥有上帝视角,宇宙中的天然放大镜:重力透镜

  • 情慾、性别、身体与性犯罪——科学视角下的性教育
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