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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!
2023/03/14

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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,品質為太陽的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」

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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。

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2017年4月拍攝到的全球第二張黑洞照片

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至數十億度的高溫,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氫,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。

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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。

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黑洞的引力場

恒星表面最多的元素是氫,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。

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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?

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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,可以被任何有品質的東西扭曲,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。

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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

黑洞龐大的品質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品質。

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。

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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品質的黑洞,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。

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射電望遠鏡——事件視界線望遠鏡不可分割的一部分

每個天文台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。

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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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