四个模块讲完一个黑洞
弯曲的时空、光线弯折、引力透镜、吸积盘和喷流,一步一个模块,观众可以拖动进度条停在任何一刻。
科技馆和天文馆的展项要让一位路过的观众停下来、看懂、还想再摸一下。黑洞最难讲:它本身看不见,能看见的都是它对光和时空做的事。下面这个实验室用代码画了一个黑洞:从质量把时空压出一个“漏斗”,到光线被弯折、绕着光子球打转,再到背景星系被拉成弧和爱因斯坦环,最后是一侧更亮的吸积盘和喷流,四步讲完。
光线轨迹按史瓦西时空的光线方程逐条积分,偏折角和弱场公式 α = 4GM/(c²b) 并排对比,透镜成像按透镜方程算,吸积盘亮度按引力红移加多普勒效应算。拖动黑洞质量、光线离黑洞的距离和观察角度,画面、曲线和读数会一起变。您的展项也可以照这个方式做成触摸屏互动、投影或展项视频。
10 倍太阳质量 · 史瓦西半径 29.5 km · 光子球 44.3 km · 距离 1 kpc · 爱因斯坦环 9.0 毫角秒
网格是黑洞周围空间的“嵌入图”:越往中心越深,最深处是视界。颜色和小钟表示时间流逝的快慢,越靠近视界钟走得越慢。光没有质量,也只能沿着弯曲的时空走,所以会拐弯。
离得远时偏折角就是 α = 4GM/(c²b);离得近了,精确算出来的角度比公式大得多。b 小于 2.6 倍史瓦西半径的光全被吞掉;刚好在边上的光会在 1.5 倍史瓦西半径的光子球上绕好几圈才出来。
背景星系的光从黑洞两侧绕过来,所以同一个星系会出现两个像:外侧的被拉长变亮,内侧的被压缩变暗。三者对准成一条线时,两个像连成一圈,就是爱因斯坦环。这里是用望远镜放大到毫角秒才看得到的景象,黑洞本身小到看不见。
气体在最内稳定轨道上以接近一半光速绕转,朝我们来的一侧光被压缩、变亮变蓝,远离的一侧变暗变红,两边能差十几倍。黑洞背后的盘也被弯过来的光“翻”到了阴影上方。喷流以 0.9 倍光速射出,正对我们看时,背面那支几乎看不见。
弯曲的时空、光线弯折、引力透镜、吸积盘和喷流,一步一个模块,观众可以拖动进度条停在任何一刻。
光线轨迹逐条积分,偏折角、光子球、透镜成像和盘面亮度都按公式算,曲线、读数和画面用的是同一组数。
黑洞质量、光线离得多近、从哪个角度看都能拖,适合做成展厅触摸屏,孩子和大人都能玩出结果。
同一个实验室可以做成触摸屏展项、穹幕或投影素材、展项视频,也可以放进官网和导览小程序。
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本页内容更新于 2026-10-24
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