作者/刘永坤本文转载自案例科学期刊《黑洞旅行团，出发！（下）黑洞光线追蹤》
巨大的天体会被附近的光线扭曲，形成独特的景象。在黑洞附近，由于致密的质量，光的弯曲现象非常显著。那我们怎么估计黑洞附近的场景，产生星际效果里那样的画面呢？这使用了一种叫做“光线追踪”的技术。
00-1010我们的眼睛能看到周围的物体是因为光源照射在物体上，光线经过反射和折射后进入我们的眼睛。所以，如果我们想在计算机中模拟摄像头(眼睛)看到的东西，就需要知道最终进入摄像头的是什么光。但实际上，一个环境中的大部分光线最终都不会进入相机，所以如果我们计算环境中的所有光线，就会在不必要的信息上耗费大量的计算机计算资源。所以通常的做法正好相反，从相机的每个像素发出光线来“追踪”光线遇到的东西。在这个过程中，光可能会被反射、折射等。每个过程都会给这个光一些颜色和透明度的信息，最后我们就可以知道一个像素应该有的颜色了。(图1)
图一。光线追踪概念图。几束光线从照相机中射出。如果光线接触到场景中的物体，最后进入光源，就会根据物体的光学性质，在相应的像素上赋予图像颜色。图片：作者从维基重绘——“光线追踪”词条，附图片。光线追迹，顾名思义，就是追踪每一条光线沿途发生了什么，可以很好地展现反射、折射等光学性质。因此，它被广泛应用于需要生成高质量图像的计算机绘图领域。但由于需要计算的光线数量巨大，自20世纪80年代这项技术诞生以来，大部分被用于计算机动画、电影制作等可以使用计算机进行预渲染的领域。计算机游戏中使用的实时光线跟踪技术要到近几年图形显示卡(GPU)的计算速度大幅提升后才能实现。
在一般场景中，光是直线传播的。然而，我们现在知道，当光经过黑洞附近时，它的轨迹会被巨大的引力所偏转。为了准确描述黑洞附近的光，我们必须准确跟踪每种光是如何受到影响的。
00-1010除了黑洞的质量会影响附近光的轨迹，如果黑洞有高速旋转(自旋)或带电，光的轨迹也会受到影响。这些轨迹已经被物理学家通过广义相对论计算出来，并被描述得非常准确。例如，没有电荷或自旋的黑洞可以用著名的史瓦西方程来描述。这些方程被称为“测地线”方程。测地线其实指的是“最短路径”。在平面上，两点之间的最短路径会是直接连接两点的直线，但当空间是弯曲的时，最短路径不一定是直线(图2)。我们常说的“光走直线”其实只有在空间没有弯曲的情况下才成立。更准确的说是“光走最短路径”，即光会沿着测地线走。
图二。在连接球体上的点A和B的路径中，沿子午线的路径1比沿直线的路径2短。所以在弯曲空间的情况下，“直线”不一定是最短路径。有了以上认识，我们就可以开始追踪黑洞光线了。我们下面介绍的过程只处理光线的扭曲部分。事实上，在黑洞附近，光的频率和焦点都会受到影响。如果想要产生更精确的模拟结果，比如星际特效电影中使用的图像，就需要更完整的计算机模型和强大的计算资源。在光线追迹中，我们首先需要确定几件事：相机(眼睛)的位置，看什么方向，环境中不同物体的光学特性。在我们简化的模拟中，整个环境中的光源是背景恒星和吸积盘。当光线穿过它们时，颜色和亮度都会受到影响。
在黑洞旅行团里，走吧！(中)>在文章中，我们简单介绍了黑洞附近的结构，大致可以分为：绝对单向路径的黑洞表面——事件视界，光孜孜不倦地围绕黑洞运行的轨道——光子球层，一般物质围绕黑洞飞行的区域——吸积盘。在图3中，我们使用许多光线进行跟踪。一般来说，它们有三种终极命运：逃离黑洞的影响，进入背景星空，刚刚进入光子球无休止地绕着黑洞转，进入活动视界，落入黑洞。
至于打到吸积盘上的光线，我们假设它们没有被吸收，只是亮度变了，它们继续前进。下面，我们从图3中选择几个特征灯光来说明它们是如何被赋予颜色的。a因为光离黑洞比较远，被黑洞弯曲的角度不够大，直接逃离黑洞。这时会根据它前进的方向和角度，赋予它背景星空相应的颜色；b光穿过吸积盘，最终离开黑洞。这种光的颜色会是吸积盘和背景星空的叠加。光C刚好进入光子球，无休止地绕着黑洞跑。因为这样的光线实际上无法进入我们的眼睛，所以会被赋予黑色。d光直接弯曲被吸进黑洞，所以也是黑的。
图三。黑洞射线追踪
示意图。
当我们使用的光线数量愈多，就能够绘製出愈高解析度的影像。以下连结为欧洲太空总署製作的网页版黑洞模拟器，各位读者有兴趣可以至以下网址尝试製作自己的黑洞景观图！
https://www.esa.int/gsp/ACT/phy/Projects/Blackholes/WebGL/
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