為啥黑洞是紅的?為啥說愛因斯坦又對了?答案是黑洞背后的超算

天空之城 2022/12/02 檢舉 我要評論

此前NASA表示,他們通過哈勃望遠鏡發現了一個在銀河系周圍「漂移」的流浪黑洞,并認為這個黑洞應該是 恒星演化之后的產物。這雖然不是人們第一次發現黑洞了,但是依舊很讓人激動。

還記得2019年第一張黑洞照片公布時候的情形嗎?當時人們一邊驚嘆于黑洞照片竟然這麼難拍攝,一邊疑惑為什麼黑洞會是紅色的。

第一張黑洞照片于2019年公布

那麼,黑洞到底是黑的還是紅的?為什麼隨著對黑洞的觀測愈加深入,大家都會說愛因斯坦又對了呢?

史上第一張黑洞照片竟是「紅色」

愛因斯坦早在上個世紀就預言了黑洞的存在,可是由于人類的觀測水平有限,我們一直無法觀測到宇宙中的黑洞。再加上黑洞擁有強大的引力,人們對洞內的情況又一無所知,漸漸這個東西的形象就越傳越「玄乎」。

在獲得黑洞的照片之前,大家就發揮了自己的想象力,描繪出了想象中的黑洞。直到第一張黑洞照片公布,這個宇宙中的神秘幽靈的面紗,才算真正被揭開了一角。

人們想象中的黑洞顯得「千奇百怪」

2019年4月,事件視界望遠鏡(EHT)的國際合作團隊,公布了利用全球多個毫米波望遠鏡組成的干涉陣拍攝到的黑洞照片。

這個黑洞位于 橢球星系M87的中心,與地球之間隔著月5500萬光年的距離。

橢圓星系M87所處的位置

事實上,事件視界望遠鏡國際研究團隊的天文學家們,最初是定了兩個超大質量黑洞為觀測目標的,一個是呈現出照片的M87黑洞,另一個則是 位于銀河系中心的超大質量黑洞。

這二者和地球之間的距離差異很大,位于銀河系中心的超大質量黑洞和我們,大約只有 2.5光年的距離,不過M87黑洞的大小約是太陽的60億倍,銀河系中心的黑洞則是太陽的400萬倍左右。因此,若說只是單純觀察黑洞的陰影和「光環」的話,M87黑洞會更典型一些。

銀河系的中心也有著大質量黑洞

可問題是, 它為什麼是紅色的?

其實這與黑洞本身的性質有關,大家都知道黑洞會毫不留情地將身邊的物質吞噬進去,而它的「進食」并不是一口就吞入,對于某些質量較大的恒星,黑洞會選擇 細嚼慢咽

炙熱的恒星在被吞噬的過程中, 表面的物質會形成吸積氣體流,這些氣體流環繞在黑洞的身邊,與其一起運動。這就是咱們常說的吸積盤,而我們看到的黑洞照片外環的「紅色」也是吸積盤。

黑洞的結構示意圖,吸積盤往往被描述為紅色

那麼,吸積盤為什麼是紅色的?難道所有被吞噬的恒星都是紅色的嗎?

吸積盤的紅色與恒星的顏色并無關系,而是因為研究團隊選擇了使用紅色,來呈現出捕獲的光線。簡單來說,EHT使用望遠鏡進行觀測的時候,是使用1.3mm的波長作為觀測波長的,而觀測到的亞毫米波本身就不在可見光范圍之內,所以為了將黑洞的吸積盤呈現出來,需要 后期為其配色。

毫無疑問,人們選擇了紅色,不過如果大家想改成別的顏色也是可以的,只是這個處理過程還是比較麻煩的,往往需要依靠 超級計算機

人們依靠超級計算機處理出了黑洞的照片

說完了黑洞為什麼是紅色的,我們再來看看為什麼大家都說愛因斯坦又對了。

愛因斯坦又對了?

愛因斯坦是世界上最偉大的科學家之一,而更厲害的是,他雖然已經離開人世已久,留下的預言卻一個接一個應驗。早在廣義相對論當中,愛因斯坦就表示宇宙中存在「黑洞」,并且對黑洞進行了某些描述。

愛因斯坦在相對論中預言了黑洞的存在

回顧黑洞的「預言史」,你會發現, 第一個預言黑洞的人并不是愛因斯坦

早在1783年,那個經典力學統治物理學界的時代,地質學家 米歇爾就率先提出了宇宙中存在「暗星」,后來 拉普拉斯便將其寫進了自己的書中。

米歇爾和拉普拉斯在經典力學時代就預言了黑洞

不過大多數人一直對黑洞的存在十分質疑,因此在被提出之后,也沒得到太大的關注。直到愛因斯坦建立 廣義相對論,而物理學家史瓦西很快得出了 史瓦西解,在強強聯合之下,黑洞的樣子才算是呈現在了人們眼中。

資料顯示從廣義相對論的角度來說,黑洞是空間的一個奇點,可以用時空彎曲的不同程度來粗略地理解「黑洞」。可以看成是當「引力塌縮」后,物體體積極小、質量密度極大時的極限情形。

愛因斯坦在廣義相對論中是如何預言黑洞的?

很顯然,黑洞被驗證存在,甚至直接被拍到了照片,這些現象都說明,愛因斯坦確實又對了。不僅如此,加州大學伯克利分校的天文學家還認為, 銀河系中心的黑洞還檢驗了愛因斯坦的理論,證明了其理論中的預測。

加州大學伯克利分校的 德里亞·蓋茲和杰西卡·盧,針對銀河系中心黑洞附近的一顆恒星進行了追蹤。這顆恒星在繞黑洞軌道超齒運行, 過程中它扭曲了時間和空間的幾何形狀,且愈加靠近黑洞,其光就會發生 引力紅移,這種引力紅移無疑符合廣義相對論的預言。

杰西卡·盧表示,「測量超大質量黑洞周圍的引力紅移,實際上是檢驗廣義相對論的新時代的開始。」

科學家發現了黑洞附近恒星的引力紅移現象

總之,愛因斯坦為這個世界留下了太多的「預言」,而隨著預言被接連驗證,人們就愈加佩服這位偉大的科學家。

值得一提的是,不論是給黑洞洗照片,還是對黑洞附近的恒星進行追蹤,實際上都要靠其背后的「超算」,若是沒有它的幫助,我們想揭開黑洞謎題的冰山一角都顯得十分困難。

超算助力黑洞揭秘

超算指的其實就是 超級計算機,咱們上文中所提到的第一張黑洞照片,就是研究小組依靠它「洗」出來的。至于 那個紅色的圈,也是通過計算機進行特殊處理的

黑洞的觀測到成像,都經過了超級計算機的助力

由于超級計算機擁有超強的運算能力,所以人們通常會用它來模擬一些宇宙中的特殊「事件」,比如說黑洞吞噬恒星的過程,就可以用超算建立出一個模型。

除此之外,美國普林斯頓大學的研究員 巴爾特·里珀達,還與自己的研究小組,利用超算的集群,使其生成了一個黑洞視界之外的圖像,向人們展示為什麼黑洞會突然發出耀眼的光芒。

人們依靠超級計算機建立黑洞模型,生成了黑洞視界之外的圖像

得益于超級計算機的強大,如今咱們雖然無法穿過漫長的光年距離,直接目睹黑洞身邊發生的一些變化,但是卻能 將其通過某些算法在電腦上「展現」出來。

雖然從理論上來說,這些模型和圖像,咱們這些外行人肯定看不明白,但是只要研究者能夠通過模擬,找到更多關于黑洞的信息,那麼未來總有一天,我們能夠破譯黑洞身上更多的秘密。

未來我們會依靠超級計算機解開更多關于黑洞的秘密

就讓我們一起期待著,超算能夠帶給人類更多的驚喜吧!

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