電影中的科學(一)《星際穿越》中,卡岡圖亞黑洞為什麼長這樣

諾蘭大神執導的影片《星際穿越》中有一個重要的場景——卡岡圖亞黑洞。在電影中,它是這個樣子的↓

電影中的科學(一)《星際穿越》中,卡岡圖亞黑洞為什麼長這樣

身邊常有人問我,為什麼黑洞長這樣?黑乎乎一個巨大的球體?它的吸積盤為什麼不是平直的而是彎曲著從頂端通過?下面那一道亮條是什麼東西?今天,在下抖膽給大家解答一下。

黑洞什麼樣

黑洞是超大質量恆星坍縮形成的特殊天體。它的本體是一個體積無限小、質量巨大的點,它引力(周圍的時空曲率)超大,以致於連光都無法逃脫(逃逸速度大於每秒30萬公里),所以它的本體是不發光、不反光、不可見的。

電影中的科學(一)《星際穿越》中,卡岡圖亞黑洞為什麼長這樣

熒幕上的那個“大黑球體”其實是一個黑洞超強引力的邊界,邊界以內,光線會在巨大的引力(時空曲率)作用下“墜落”回黑洞;但從這裡以外,光就可以螺旋著逃離黑洞引力的控制了(從這裡向外,黑洞引力邊界才是可見的),我們管這個邊界叫做“事件視界”。《星際穿越》中,被明亮圓環包圍著的黑暗球體就是黑洞的事件視界。

黑洞吸積盤是什麼

“卡岡圖亞”巨大黑色球體的周圍,有一圈環狀的明亮環帶,這個就是黑洞的“吸積盤”了。黑洞自形成以來,巨大的引力就會不斷吞噬周圍的一切物質。氣體雲、塵埃、甚至其他天體、恆星,都可以是它的“獵物”。這些物質接近黑洞後便會被強大的引力解體撕碎,呈螺旋狀高速(可以接近光速)墜向黑洞。如果速度足夠快,它們便會在環繞、解體過程中釋放光和熱,於是就形成了這一道明亮的吸積盤。

電影中的科學(一)《星際穿越》中,卡岡圖亞黑洞為什麼長這樣

為什麼吸積盤從事件視界上方穿過

引力會造成空間的扭曲,產生“引力透鏡”現象。簡單來說,就是光線通過強引力區域時會隨時空的彎曲而發生彎曲。黑洞“後方”的吸積盤發出的強光,在經過黑洞附近區域時發生了劇烈的彎曲,所以我們看到的“上面的亮條”實際上是黑洞“後面”的那部分吸積盤。在我們看來,吸積盤從黑洞“上方”越過,實際上它是平的,從黑洞“後面”環繞而過。我們看到它彎到上面,那是因為光本身被彎曲了。同理,事件視界下方那一弧亮光也是來自後面部分的,只是觀看角度不同使“下面那一條”看上去窄了許多。

電影中的科學(一)《星際穿越》中,卡岡圖亞黑洞為什麼長這樣

卡岡圖亞黑洞的本來面目

如果濾掉引力造成的視錯覺,黑洞本來的面目跟土星極其相似↓

電影中的科學(一)《星際穿越》中,卡岡圖亞黑洞為什麼長這樣

土星星體本身就相當於黑洞的“事件視界”,那個純黑色的大球;環繞土星的星環就相當於吸積盤,非常形象。弄張土星照片,把星體塗成純黑,把星環塗成光環,就是黑洞的本相啦。一片樹葉的形狀往往是整棵樹形態的微縮版,宇宙中也是一樣。

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