4、电影里对黑洞的表现如何？

近乎完美，超越了目前最卓越的科研成果。

《星际穿越》剧照：黑洞

《星际穿越》中的黑洞，除了黑色的部分之外，想必那个如同王冠般耀眼的环形结构是大家最关注的。这是黑洞周围的物质在引力作用下落入黑洞的同时释放引力势能而产生的明亮结构——吸积盘，具体的释放机制主要是粘滞加热（viscous heating）。大家知道，如果这个盘是个整体的话（不同半径角速度相同），那么越到内侧盘的线速度应当越来越大，但实际上在引力作用下，盘中的物质做着类似卫星绕地球的运动：轨道越低（内侧），线速度反而越大，这种情形叫较差自转。于是盘中不同半径的物质是在相互“滑动”的，这种互相摩擦就可以释放相当可观的能量。至于为何是个盘，因为初始角动量的存在，这些物质在刚开始就有一个大致相同的角动量方向（想想太阳系为何也差不多在一个平面上，类似的道理），所以落入黑洞时的轨道也基本在一个面上。

于是，大多数时候，我们看到的黑洞是如下图这样的。

资料图

当然，我们还知道黑洞本身不发光，引力会弯曲空间，于是我们看到的黑洞还是这样的：

资料图

这是几天前的APOD(NASA发的天文每日一图)，计算了黑洞对后部星系图像的弯曲。

但是如果我们走的够近，黑洞也能弯曲背面的吸积盘的光线，最终会看到什么样的图像呢？

这种事情搞天文的也关心，虽然我们没法从观测上直接分辨吸积盘的内部细节，但是这个会影响观测到的光谱（也就是能量分布），这种事情，搞模拟的也不是没算过，但是他们的结果，差不多是这样的：

（资料图）

这里颜色代表光谱/能量的频率移动，蓝色代表频率变高，红色代表变低，同时考虑了引力红移（光子逃离引力束缚会消耗能量，于是变红）和多普勒红移（严格来说是包含了狭义相对论效应的多普勒红移）。图上的这个盘是逆时针旋转的，所以它的左侧朝向我们移动，光子能量变高，会显得更蓝一些。

这个图像如果太Q的话，好一些的会是这样的：

资料图

右下角的图形代表能观测到的能谱，由于相对论聚束效应（朝向观察者运动的光源不仅会变蓝，也会更亮，因为观察者在单位时间内会接收到更多的光子，反之则会变红变暗）的存在，能量会向高能区集中。

也许你注意到了，电影里似乎没有出现多普勒频移的效果（也就是一边红点一边蓝点），不过我倒是找到一张《星际穿越》特效团队的设定图。

《星际穿越》剧照，特效设定图

注意这些不同的色块，代表了这些区域可观测的温度/能量，红色代表最大红移，接近内侧的黄色主要是引力红移导致的。所以吸积盘从视觉上看应该是左侧（朝向我们运动）亮而且发蓝，右侧暗而且发红。

《星际穿越》的特效部门刻意舍弃了这些效应而让观众更易于理解，不过我觉得如果肉眼直接观测的话，由于这些区域的能量范围非常广（从高能的x射线到低能的红外波段），而且能量密度极高（也就是很亮），即使红移之后对肉眼来说还是太亮，如果没有类似“墨镜”的装置（实际宇航服的面罩会有各种防止高能辐射的镀膜），所以我们依然可能看到的差不多是一个均匀的光带。（就像理论上太阳外侧会比中心部位暗一些，但现实中你也看不出来，而吸积盘的亮度太阳完全不能比）。

不过《星际穿越》超越这些科研成果的地方在于，基普·索恩的推导加上高精度的模拟，最终能看到的不止一个吸积盘——上面这张设定图比较清楚，背面的吸积盘像不仅从黑洞“上面”绕射过来，同时也会从“下面”绕过来。而正对观察者一侧的吸积盘下部的光，则会绕黑洞3/4圈之后再次出现在我们的眼睛里（就是黑洞上部紧贴它的那条亮线）。这只是绕黑洞圈数较少的光线的像，剩下的像会更加接近黑洞视界，所以难以看清。

当然影片中的黑洞也不是完全没有问题，除了没有体现出狭义相对论的红/蓝移效应，没有壮观的喷流（jet）也是个缺憾。

资料图

物体在落入黑洞时除了粘滞生热，还有很大一部分能量以喷流的形式放出，这种喷流在超大质量黑洞中非常普遍，尤其是存在于宇宙极早期的天体：类星体（之所以叫这个名字是因为距离太远看上去只是一个点，但是光谱又和恒星相差甚远）中。这些天体以超大质量黑洞的吸积为动力，在极小的空间内（几个太阳系大小），辐射功率可以远超整个银河系。可惜目前这些类星体们应该都只剩下一个孤零零的黑洞，经过数亿年的吸积，周围的气体物质可能早就消耗殆尽，喷流也不复存在，这倒可以解释影片中这个看上去“柔和”的黑洞，而且，由于黑洞保留了吸积盘的角动量，也可以解释后面将要提到的黑洞自转。