好莱坞的黑洞(2):回归基础

续自 以前的帖子 星际:Hollywwod中的黑洞(1)

黑色炉盘
真正的罢工:
啊!魔法之井。
亚瑟·林波 灯饰

自11月5日在全球银幕上放映以来,这部电影  星际 的  克里斯托弗·诺兰 s’被强加为’年,在网络上引发了数百场辩论和热烈讨论,为数十个博客(大多数是盎格鲁-撒克逊人)提供了赞扬或批评这部电影的科学正确性或不准确性,剧本的合理性等。我提醒您,电影的科学顾问是我的研究同事,美国著名物理学家 基普·索恩;和他的私人公司团队一起  双重负 他们专门研究视觉效果,特别炮制了’image du disque d’积垢照亮黑洞“Gargantua”,应该是有史以来最精确的显示,并且已经遍及全球。

为了宣传影片,基普·索恩(Kip 索恩)亲自出版了一本名为“星际科学“,他在其中解释了他如何尽最大努力尊重这一点’il pouvait l’尽管导演有时提出奇怪的要求,但科学准确性’特别要确保黑洞的视觉表现形式和相关的相对论效应尽可能切合实际。

命运由于,正如已经在 以前的帖子j’是1979年世界上第一个进行数值模拟并发表模拟现实图像的研究者。’被包围的黑洞’un disque d’在下面的文章中,我将回到可视化黑洞的基础知识,这种观点并不重要,但具有教育意义。许多改编自’un chapitre d’Fayard在2006年用法语出版了我的一本书, 的命运’univers, 并在恢复 口袋书 2010年在Folio / Gallimard举办。

 我们可以拍摄黑洞吗?

 在物理学中,我们喜欢具体地可视化我们正在研究的对象。可惜,似乎无法拍摄或拍摄黑洞,因为它不会散发出任何物质,任何光线。黑洞是 先验 完全看不见。但是,物体不必为了能够区分而发光。它也可以被照亮,以便反射接收到的光。在天文学领域,如果心脏的表面不反射阳光,它们的心脏将无法获得热核能,它们将保持不可见状态。

行星的真实情况也适用于黑洞。在没有任何照明源的情况下,您当然不会看到任何东西,但是由于特定的路径以及附近发出的光,适当照亮的黑洞能够返回图像。

因此,在聚光灯下拍摄的黑洞不是真正的黑洞,黑洞不是空洞而是具有特定物理属性的时空区域。

照明问题

每个自然体都以自己的方式吸收和反射电磁辐射。以下4个图中所示的思想实验包括用平行射线束照亮各种球形物体,并观察在垂直方向上反射的光。接收到的图像的外观揭示了身体如何根据其性质对电磁波做出反应。

TN1-illum1

如果是完全黑色的物体,例如漆好的球体(a),则所有光线都会被吸收。由于没有光线反射,因此观察者看不到照明的球体。

 

在表面无光泽的情况下, TN-illum2像月球或行星(b)一样,光在所有方向上的反射强度相同。因此,在表面的每个点上,单束光线都向观察者的方向精确地偏转了90度:他看到了熟悉的半月像。

TN-illumi3在完美反射的金属球体(c)上,表面上的单个点将入射光线偏转90度,然后将其反射回观察者:因此,球体的图像缩小为一个单独的发光点,位于√2/ / 2≈0.707倍于球体的半径。

 

TN-illumin4与以前的物体相比,黑洞(d)没有射线可以在其上撞击和反射的有形表面。它的引力场使光线偏转。黑洞的影响范围不会缩小到其表面(事件视界),而是会延伸到无穷大。结果,光线不再是在与表面碰撞的点处折断的直线,而是随着光线在表面附近通过而更加弯曲的线。因此,黑洞的图像由一系列无限的发光点组成。其中之一位于左侧,其直径为黑洞半径的2.96倍,称为“原始图像”,是由偏转90度的单束光线形成的。另一个位于右侧或次要图像上,位于黑洞半径的2.61倍处,来自光线,光线又转了另一个半圈,即270度。围绕黑洞的Schwarzschild时空中的光线轨迹的完整计算表明,理论上存在无限个光点,对应于从所有其他半圈转向的光线;但实际上,这些高阶图像非常靠近主图像和次图像,因此无法解析。

因此可以看出,在本身不亮的各种物体中,黑洞并不是最暗的。它甚至比黑色球体和完美反射的球体反射的光线更好!

 荣耀中的黑洞

先前实验的一种变体包括用平行光线照亮黑洞,并观察反射光不再成直角,而是以 同一方向。下图显示了这种“光的返回”。黑洞本身的图像被放大,其表观直径是其实际直径的3√3/ 2≈2.6倍。这是因为黑洞捕获了入射光束的很大一部分:不仅光线直接拦截了事件视界,而且光线还从中心经过了小于5.2 M的光线(洞自身的半径黑等于2 M) 。另一方面,黑盘被同心环组成的发光光环包围。距中心5.34m的外圈是由轮辐完成了半圈拉制而成的,而更多的内圈是由轮辐完成了额外的半圈插装而成的。图像让人联想到荣耀效应 传统光学中众所周知的:当无数的雾状水滴扩散阳光时,有时可以反射看到自己头部的阴影,并被视线中心的光环环绕。

TN-荣耀
我们用一束平行的光线照亮一个裸黑洞,并观察光的返回。黑洞看起来大了2.6倍,并被同心环形状的无尽图像组成的光环围绕着。

在光荣的黑洞情况下,只有外环可见,分辨率不足以区分高阶光返回。

2002年,美国研究人员David Holz和John Wheeler发表了’hypothèse que l’在以下情况下可以检测到主环’一个位于我们太阳系边界的恒星质量的孤立黑洞,它反射着来自我们自己的恒星太阳的180°射线。约翰·惠勒(John Wheeler)在命名现象上总是很有想像力(我们欠他黑洞和虫洞的用语),他的文章标题为“复古MACHO:天空中的pi”,同时暗示了孤立的黑洞会属于MACHOS(巨型天体物理紧凑光晕物体)类,是重子暗物质的候选者,并且由于光根据“魔术”角pi的偏离而具有可观察性。

约翰·阿奇博尔德·惠勒(1911-2008),l'20世纪最有创造力的物理学家之一
约翰·阿奇博尔德·惠勒(1911-2008),l’20世纪最有创造力的物理学家之一

约翰·惠勒(John Wheeler)在他的一生中都享受着非常规思想的发展,这在很大程度上’在其他地方,已经证明是非常成功的。但是,最后的提议不太可能实现。光返回的计算确实涉及一个10 M的黑洞S 位于3光年以内的光环,在最有利的情况下不超过32(即比最弱的物体小100倍,直到被最强大的望远镜检测到为止)。此外,我们银河地区的恒星质量黑洞的平均密度估计为每立方光年0.00001数量级。因此,恒星黑洞离我们这么近是不可能的!但是,让我们接受假设,即1 M的黑洞S 距离我们只有1.5光年。计算表明’然后它将充当43级的“复古男子气概”,其光度比有史以来最弱的物体低100,000倍。 …

弯曲时空中的光学

黑洞这种令人惊讶的“几何光学”的理由是什么?该光学器件将光线的曲率视为广义相对论的基本特征,据此,光线的传播取决于重力场。宇宙将自己描述为一个四维的时空,这是一种由于重力而变形的柔性织物,也就是说,它所包含的巨大物体变形了。形成这种织物的纬线,光的路径就像是在深渊上投掷的线。像物质一样,能量也会产生一个引力场(由于它们是等价的,因此通过公式E = mc2);相反,物质和能量受到重力的影响。特别是,没有质量但运动的粒子(例如称为光子的轻粒子)具有能量:因此,它们的轨迹会因重力而改变。因此,随着光线穿过的引力场变强,它们所遵循的路径更加弯曲。极好的近似值可以忽略光子自身的引力场在黑洞前面的影响,每个光子发出的光遵循测地线轨迹,即两点之间的最短路径。测地线是平坦时空中的直线,呈弯曲时空的形状。

黑洞的引力场在其附近时空急剧弯曲。从定义事件视界的中心到一定距离,任何粒子(无论是否质量)都无法逃脱其抓地力。在事件视界之外(这是黑洞本身的表面),光线可以逸出,但是时空的大曲率极大地改变了它们的轨迹。

在黑洞外的时空嵌入面上绘制的五个测地线表示自由降落物体在距黑洞不同距离处通过的可能轨迹。测地线1,2和3越来越受曲率影响。测地线4落入重力井,并在引出时相交。测地线5直接掉入孔中并被困住。
Schwarzschild时空大地测量学。跌落表面上绘制的五个测地线表示自由落体或多或少地经过黑洞附近的物体的可能轨迹。测地线1、2、3越来越受曲率的影响。测地线4插入井中,并在井出来时相交。测地线5径向落入孔中并且不上升。

我们可以信赖广义相对论来计算光线在黑洞附近的传播。该计算需要事先进行数学分析,然后由计算机进行数值积分。通过这种方法,人们可以获得黑洞的图像,该黑洞被任何性质的光源照亮并以任何方式分布 .

C’我们会在 下一篇

关于4个想法“ 好莱坞的黑洞(2):回归基础 ”

  1. 谢谢Luminet先生。
    我已经跟着你十年了’一年来,对于您的干预质量,我深表谢意,我总是很高兴。
    我可以问你几个问题吗?

  2. 你好,鲁米特先生,

    J’在您的文章中发现了一个错字:一种语法外的复数形式,通常称为“s” d’学者之间的积聚。

    C’est ici :
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    2002年,美国研究人员David Holz和John Wheeler提出了假设
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    J’借助望远镜发现了这一发现“Iris”我的波尔多天文台直径为6毫米。

    C’是第一次’这样的发现诞生了。
    你觉得我’学院会给我起这样的名字吗?

    J’我将很荣幸。

    对于这些文章,我深表谢意,一如既往。

    真诚的

    菲利普·尼拉

    1. Meri用于这种伸缩式外壳检测。 Ĵ’ai corrigé, d’autant que j’en ai trouvé d’其他逃脱了你的智慧的人。亲切地

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