电影中的科学(一)《星际穿越》中,卡冈图亚黑洞为什么长这样

诺兰大神执导的影片《星际穿越》中有一个重要的场景——卡冈图亚黑洞。在电影中,它是这个样子的↓

电影中的科学(一)《星际穿越》中,卡冈图亚黑洞为什么长这样

身边常有人问我,为什么黑洞长这样?黑乎乎一个巨大的球体?它的吸积盘为什么不是平直的而是弯曲着从顶端通过?下面那一道亮条是什么东西?今天,在下抖胆给大家解答一下。

黑洞什么样

黑洞是超大质量恒星坍缩形成的特殊天体。它的本体是一个体积无限小、质量巨大的点,它引力(周围的时空曲率)超大,以致于连光都无法逃脱(逃逸速度大于每秒30万公里),所以它的本体是不发光、不反光、不可见的。

电影中的科学(一)《星际穿越》中,卡冈图亚黑洞为什么长这样

荧幕上的那个“大黑球体”其实是一个黑洞超强引力的边界,边界以内,光线会在巨大的引力(时空曲率)作用下“坠落”回黑洞;但从这里以外,光就可以螺旋着逃离黑洞引力的控制了(从这里向外,黑洞引力边界才是可见的),我们管这个边界叫做“事件视界”。《星际穿越》中,被明亮圆环包围着的黑暗球体就是黑洞的事件视界。

黑洞吸积盘是什么

“卡冈图亚”巨大黑色球体的周围,有一圈环状的明亮环带,这个就是黑洞的“吸积盘”了。黑洞自形成以来,巨大的引力就会不断吞噬周围的一切物质。气体云、尘埃、甚至其他天体、恒星,都可以是它的“猎物”。这些物质接近黑洞后便会被强大的引力解体撕碎,呈螺旋状高速(可以接近光速)坠向黑洞。如果速度足够快,它们便会在环绕、解体过程中释放光和热,于是就形成了这一道明亮的吸积盘。

电影中的科学(一)《星际穿越》中,卡冈图亚黑洞为什么长这样

为什么吸积盘从事件视界上方穿过

引力会造成空间的扭曲,产生“引力透镜”现象。简单来说,就是光线通过强引力区域时会随时空的弯曲而发生弯曲。黑洞“后方”的吸积盘发出的强光,在经过黑洞附近区域时发生了剧烈的弯曲,所以我们看到的“上面的亮条”实际上是黑洞“后面”的那部分吸积盘。在我们看来,吸积盘从黑洞“上方”越过,实际上它是平的,从黑洞“后面”环绕而过。我们看到它弯到上面,那是因为光本身被弯曲了。同理,事件视界下方那一弧亮光也是来自后面部分的,只是观看角度不同使“下面那一条”看上去窄了许多。

电影中的科学(一)《星际穿越》中,卡冈图亚黑洞为什么长这样

卡冈图亚黑洞的本来面目

如果滤掉引力造成的视错觉,黑洞本来的面目跟土星极其相似↓

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土星星体本身就相当于黑洞的“事件视界”,那个纯黑色的大球;环绕土星的星环就相当于吸积盘,非常形象。弄张土星照片,把星体涂成纯黑,把星环涂成光环,就是黑洞的本相啦。一片树叶的形状往往是整棵树形态的微缩版,宇宙中也是一样。

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