黑洞為什麼是紅的?愛因斯坦又對了?答案是黑洞背后的超算

天空之城 2022/05/04 檢舉 我要評論

黑洞真的存在嗎?沒錯,黑洞是宇宙中 真實存在的天體

2019年4月10日晚上9點整首張黑洞的照片在全球新聞發布會上亮相,這個黑洞距離地球 5500萬光年,質量為太陽的 65億倍。

在照片問世過程中,科學家們進行了無數的 觀測和計算,在震驚世界的同時,我們也對黑洞的顏色產生疑問,黑洞竟是 「紅」的。

「紅色黑洞」概念圖

早在 1915年愛因斯坦提出了 廣義相對論,并給出了 愛因斯坦場方程1916年,德國天文學家 卡爾·史瓦西通過計算得到了該方程的一個 真空解,證明了 「黑洞」確實存在

那麼這已經被證實存在的黑洞究竟是 什麼顏色呢?黑洞蘊含著怎樣的 能量呢?愛因斯坦又提供了怎樣的 理論依據?黑洞照片的背后又有著怎樣的 技術支撐?黑洞的存在證實愛因斯坦是對的,那麼答案真的是其背后的 超算嗎?

人類有史以來獲得的第一張黑洞照片

黑洞是什麼顏色?

照片的公布瞬時引起轟動,這讓人們清楚的認識到了這個 神秘又龐大的天體

通過黑洞的照片,我們不難發現,黑洞的 中心確實是 黑色的,但 周圍的一圈卻是紅色的,與其叫它 「黑洞」,不如叫它 「紅洞」

對于這圈紅光,科學家們也給出了相應的解釋,但眾說紛紜, 各派的簡介總歸是不同的。

按理說,黑洞本身是不會 發光的,它只會 吞噬周圍的一切,那些光很有可能是 被它吞噬的恒星,這些恒星的 表面物質形成 吸積氣體流和吸積盤

在黑洞的 引力下,吸積盤內物質落入黑洞的速度極快, 物質之間的摩擦使它被 加熱數十億度的高溫,從而發出 輻射

落入的恒星只能等待 被吞噬的命運,在 完全消失之前,向宇宙進行一次 告別,證明自己 曾經來過

黑洞結構的構想圖

也有說法道,黑洞的前身其實是 恒星,恒星表面最多的物質是 ,其表面 膨脹,內部發生 核聚變爆炸后可能演化成,然后演化而成。

而大部分恒星都是類似于 太陽通體呈現紅光,所以黑洞周圍也呈現 紅光

黑洞吞噬恒星的概念圖

科學家們解釋道,黑洞在照片中的呈現雖然是 靜態的,但實際上它是在 不停旋轉的,因為黑洞不是 無限大的,其 邊界使光發生偏轉,從而呈現出顏色。

而且它在吞噬天體時也并不是 一瞬間吞掉,而是從 最外層開始, 由外而內,最后 完全吞噬,說這光是 被吞噬的恒星向宇宙最后的告別也并不為過。

研究人員發現這個黑洞有一個比較弱的伽馬射線發射源

下面讓我們看看這黑洞究竟蘊含著怎樣的 能量

黑洞所蘊含的能量

黑洞的引力非常巨大,它最驚人的能力就是 吞噬

如果黑洞想吞噬一顆周圍的恒星,它不會 一口吞掉,只會從 最表面開始,一點點 吸干這顆恒星的一切。

黑洞的引力場

恒星表面最多的元素是 ,他們正在處于 核聚變中,突然被吸走會形成一種 吸積氣體流,類似于 出水口的漩渦或龍卷風的風眼,這是在吞噬口的一個 漩渦,恒星以及其他物質就被會 聚起來并旋轉,形成黑洞的 吸積盤,最后將恒星慢慢 「吸食干凈」

長此以往,不斷反復,直至它的周圍 沒有物質存在

其恐怖之處在于,無論 多大體積的天體,都能被其 瓦解

黑洞構想圖

試想如果 地球遇到它,那麼只有乖乖 被撕碎的份了。而且地球是行星 并不會發光,就算被黑洞吞噬了,也不會產生 吸積流和吸積盤,這表明地球若真的被吞噬,我們甚至來不及和宇宙 告別

如果我們也在被另一個文明 觀測,他們壓根不會看到地球被吞噬,頂多能看見 太陽形成的吸積盤

黑洞的吸積作用

黑洞是根據 愛因斯坦的廣義相對論被計算出來的,因此它被證明在 極端條件下仍然成立。

不僅如此,黑洞是目前已知的唯一能夠 超越光速的存在,這并不是說它的 運行速度能超過光速,而是說它的 能量巨大到能夠克服 光的逃逸,若想將這個能量 表達出來,那麼就會出現 超越光速的物質

在這種情況下想要逃脫是不可能的

愛因斯坦曾提出,當物體的 運動速度達到光速時,就會 穿越時空

但這談何容易,這可是人類已知的 最快的速度,人類目前的能量根本達不到 驅動至光速的可能,更不要說 超越光速了。

黑洞蘊含的 能量如此之大,那麼 愛因斯坦又為什麼是對的呢?

光的速度約為三十萬公里每秒,是目前已知的最快速度

愛因斯坦提供的理論依據是什麼?

1915年愛因斯坦發表了有關 廣義相對論的演講,他認為 時間和空間是一個 連續體,可以被任何有質量的東西 扭曲,扭曲的結果就是 引力

愛因斯坦想通過這個方程告訴我們, 物質是如何使時空彎曲的,反過來, 彎曲的時空又是如何使 物質運動的。

當我們建立了 引力就是時空扭曲這樣一個印象過后,顯然一個物體 不同的部分受到的 引力作用也是不同的,當物體 只受到引力時,其運動路徑是 測地線,比如 地球上的物體 「自由下落」,就是沿著時空的 測地線運動

運用廣義相對論描述水星繞太陽運動的軌道

但事實上,黑洞并不是愛因斯坦 預言的,那麼是誰預言的呢?

1916年德國科學家卡爾·史瓦西利用 愛因斯坦場方程計算出一個解,如果 大量物質聚集在空間一個點,那麼就會形成 強大的引力,其 逃逸速度將超過光速,這就是 黑洞

人類對宇宙的認知總是 有限的,探索的過程中會有無數的疑問,同時也會進行不停的 思考,所以人類可以不斷深化對宇宙的 認識和了解

卡爾·史瓦西

黑洞 龐大的質量以及周圍物質的變化導致我們無法 直接觀測它,但科學家們發現,可以借助其他手段得知它的 存在與質量

與此同時,借助當前最高的科技手段,能夠觀測到它對其他事物的影響。

在黑洞空間里,周圍物質被黑洞強大引力吸入 起始端開始時, 區域時間變化為零。

那麼 首張黑洞照片究竟是如何 拍出來的呢?讓我們來了解一下這背后的 技術

1978年,美國物理學家繪制了第一幅黑洞概念圖

黑洞照片的背后有怎樣的技術支撐?

首張黑洞照片的誕生背后,凝結了目前最先進的 探測技術,整個過程 歷時十余年,動用了來自非洲、亞洲、歐洲、北美洲和南美洲的 200多名研究人員,八個探測望遠鏡分工合作,不分晝夜觀測,最終的這張圖像也有可能獲得 諾貝爾獎

而這一切成就,都離不開 視界望遠鏡(EHT)和背后的計算

艾倫望遠鏡陣列

視界望遠鏡(EHT)口徑足達 13000公里,約等于 地球的直徑

它存在的目的就是觀測 超大質量的黑洞,直接獲取 事件視界尺度的影像,并由科學家們進行分析。

其觀測波長最終設定在 1.33和0.87毫米,同時必須依賴 VLBI技術,該技術可以 同時觀測同一目標,并整合成能形成 單一影像的數據。

射電望遠鏡——事件視界線望遠鏡不可分割的一部分

每個天文臺得到的資料數量龐大,只能用 硬盤儲存,硬盤的效能對 EHT的正常運作至關重要,因為當望遠鏡觀測時,其 每秒產生的數據量是以 百億位為單位計算的。

一次普通的 五天觀測期間,每座望遠鏡會搜集約 500TB的數據,整個陣列產生的數據約 7PB,將裝滿 1000至2000個硬盤。

黑洞本身是 簡單的天體,復雜的是黑洞 周遭的環境,理論天體物理學家根據廣義相對論建立了 數學模型與計算機模擬

主反射鏡反射入射光并聚焦到一點,就能夠將光分解為數據

由此看來,黑洞之所以顯示 紅色,并不是 其本身呈現紅色,而是光在強大 引力的作用下發生了 偏轉

愛因斯坦場方程也成功成為后人研究 天體運動的理論基礎,更是成為 發現黑洞的重要地基。

強大引力的「紅色黑洞」

倘若沒有 超級計算與計算機建模,沒有 視界望遠鏡,沒有 VLBI技術……那麼人類又怎麼能如此直觀的 看見黑洞呢?

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