為何黑洞是紅的?為什么愛因斯坦又對了?答案是黑洞背后的超算

        來源:hao123百家號     時間:2022-03-01 13:08:48

        黑洞,可以說是宇宙中最危險卻又最迷人的天體。它的發現離不開一個人——愛因斯坦,雖然不是他老人家親自發現的黑洞,但如果沒有他的廣義相對論,黑洞的發現起碼會晚50到100年。為什么這么說?大家接著往下看。

        人類為什么要研究黑洞?因為黑洞代表了宇宙中的一種究極形態,那是光都逃不掉的空間。同時,黑洞具有巨大的能量,盡管現在對于人類來說,黑洞的能量是毀滅性的,但這并不妨礙人類未來對其利用,就是這個未來不知道是多少年后了。

        總之,黑洞對于人類的吸引力太大,我們沒有理由錯過它!

        黑洞的由來

        黑洞并不是概念天體,而是宇宙中真實存在的。并且是人類已知的質量最大的存在,就連光也無法從其引力范圍內逃離。同時,黑洞也是密度最大的物質,它的密度大到無法用具體的數字來表示。黑洞并不是憑空出現在宇宙中的,它的前身是恒星。

        恒星是宇宙中常見的能量發射體,不同恒星之間的差距非常大。比如,最小的恒星,質量只有太陽的7%到8%;最大的恒星,半徑可以是太陽的1700倍。不同的恒星歸宿也會不一樣,像太陽這樣的恒星,最后結局就是一顆白矮星,孤零零地在宇宙中處于死寂。而大質量的恒星,會在滅亡之前轟轟烈烈,最后要么變成中子星,要么變成黑洞。

        恒星含量最多的元素是氫,這是宇宙第一號元素,可以說沒有它就沒有今天的宇宙天體。氫原子之間通過核聚變反應,合成質量更大的原子,并釋放大量的能量。根據元素周期表上的順序,它先是合成氦原子,當一顆恒星上的氫原子全部消耗完畢,形成氦原子后,恒星也結束了自己最穩定的主序星時期。

        氦原子繼續參與核聚變,但是它產生的能量完全比不上氫原子。這個時候,恒星的表面會膨脹,內部因為核聚變產生大質量的原子而收縮。當聚變進行到鐵元素時,外部膨脹和內部收縮打破平衡,恒星再也沒有辦法維持下去。這時它有兩條路,一條是坍塌,這是質量較小的恒星的路;另一條就是來一場爆炸,讓周圍的一切來為恒星陪葬。

        爆炸會將恒星外部的物質全部甩走,成為星云的一部分,參與下一個恒星的誕生,所以這個爆炸被叫做超新星大爆炸。爆炸之后,恒星就只剩下一個內核了,體積與原來相比不值得一提。但是,它曾經大部分的質量被濃縮到這個內核里,于是它要么演化成中子星,要么演化成黑洞。科學家們發現,質量在太陽8倍以上的恒星,有向這兩種天體演化的趨勢。

        黑洞的引力非常強大,能夠將光也吸進去,要知道光速是目前已知的最快速度,連它都無法逃離,可想而知其他天體遇上黑洞的命運。黑洞的名字靈感來自于黑體,黑體是基爾霍夫在1862年命名并引入熱力學內的一個名詞。黑體(Black body)是一個概念體,它不會產生反射和投射,吸收一切電磁輻射。這與黑洞(Black Hole)吞噬一切物質的特性一樣。

        黑洞在1970年被人類第一次發現,但科學家確立黑洞存在的時間更早,可以追溯1915年,愛因斯坦(Albert Einstein)發表了廣義相對論,提出了著名的愛因斯坦場方程。

        1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)利用方程得到了一個解。

        這個解表明,當半徑小于一個定值,天體的周圍會存在視界,一旦進入視界,光也無法逃脫,這個定值被稱作史瓦西半徑。

        后續的天文學家們對這個半徑繼續研究,最終得到了一種天體,稱之為黑洞。可是受制于當時的天文技術,黑洞只是一種假說,沒有證據證明宇宙中真的存在,即便是1970年人們發現了黑洞的蹤跡,還是無法肯定這個天體的存在,科學家們甚至不知道黑洞的模樣。

        1978年,美國物理學家Jean-Pierre Luminet繪制了第一幅黑洞概念圖,圖上的黑洞猶如黑色的旋渦,又像一個無神的黑色眼睛,這是Luminet借助IBM7040穿孔計算機完成的。2014年,電影《星際穿越》在Luminet的基礎上,用電腦特效渲染了一個黑洞圖像,仿佛一個黑色的深淵巨口。

        科學家們認為黑洞是黑色的,因為光無法從它的周圍逃逸,因此我們只能看見黑洞的“光環”,也就是它引力范圍以外的區域,光線的逃逸路線會出現曲率,那是唯一能夠證明黑洞的浮光掠影。為了能夠拍到黑洞的照片,全世界的天文觀測點聯合起來,在2017年,拍攝黑洞計劃正式啟動。

        第一張照片

        2019年4月10日,人類歷史上的第一張黑洞照片問世,瞬間震驚了世界。這張照片的黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心,距離地球5500萬光年,是太陽質量的65億倍。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。

        為了拍攝這張名垂青史的圖片,位于美國、西班牙、墨西哥、智利以及南極的8臺亞毫米射電望遠鏡同時展開觀測。科學家將這8臺望遠鏡構建成視界面望遠鏡(EHT),口徑13000公里,約等于地球的直徑。這相當于在法國巴黎觀看美國紐約的報紙,每個字母都能看得清清楚楚。

        然而,構成視界面望遠鏡只是第一步,由于這8臺望遠鏡是射電望遠鏡,得到的是數據而非圖像。因此需要將這些數據通過超算系統處理,最終得到圖像。因為每一臺望遠鏡得到的數據有1PB,普通的計算機根本不可能處理得過來。

        數據被發送給了麻省理工大學以及德國的馬普研究所,二者運用自己的超級計算機處理系統,對數據進行分析,最終運用電腦合成,得到了黑洞的第一張照片,耗時兩年。

        這是科學家們之前沒有料到的圖像,圖像的中心的確是黑色的,可是它的四周卻是紅色的。與其說叫 “黑洞”,不如叫“紅洞”。這張照片一經公布,很快獲得了全世界的關注,因為這不僅證實了愛因斯坦的預言又對了,其在100多年前發表的公式成功預言了黑洞,也讓全人類看清了一種天體,從此,人類的歷史上,又添了一顆星體的照片。

        發紅的黑洞

        按理說,黑洞會吞噬一切物體,它本身是不會發光的。但是,黑洞的范圍不是無限的,在其引力范圍之外,光以曲線的形式逃跑,因此理論上,黑洞的照片應該像日全食的時候一樣,中間是黑的,周圍有微光。那些光很有可能是被它吞噬的恒星,在消失前最后一次向宇宙說明自己曾經來過。

        科學家們解釋道,別看這張照片是靜態的,其實宇宙中的黑洞是在旋轉的,而且它吞噬天體并不是像鯨魚那樣一口就將天體吞下去,而是從天體的最外層開始,利用武俠中“吸星神功”一樣的方式,將天體表面的物質吸走。

        天體是由外向內被吸干,而不是被吃進去的。如果黑洞吞噬的是一顆恒星,其表面多的是氫,它們正在劇烈的核聚變,結果被吸走,于是形成了吸積氣體流。

        就好比水池放水,整個出水口只有一個,于是在出水口那里會形成一個旋渦。恒星的周圍也只有這一個吞噬口,這些物質也會像水流一樣旋轉,形成黑洞周圍的吸積盤。

        恒星是什么顏色?看看太陽的高清照就知道了,恒星大多數都是紅色的火球,那么不管是吸積氣體流,還是吸積盤,都是由恒星的一部分組成的,因此也會隨恒星呈現紅色。這就是黑洞周圍是紅色的原因。

        早在此前觀察的時候,科學家們還發現,黑洞的中心會形成噴流,只可惜噴流里的物質很少,比起吸積盤的范圍小太多,亮度也遠不如吸積盤,所以拍攝到的照片中沒有顯現噴流。

        為何研究黑洞

        拍攝黑洞計劃耗時兩年多,發動了8臺天文射電望遠鏡,橫跨南半球,上千名天文學家參與,背后是兩個研究所的超級計算機系統,花費上億美元。人類費這么大的力氣研究一個距離我們5500萬光年外的天體是為了什么呢?總不會是人類要移民去黑洞吧?這可不興移啊。

        黑洞雖然很恐怖,無論再大的天體,都能被其瓦解,如果是地球遇到它,那么地球只有乖乖被撕碎的份。而且地球是行星不會發光,就算被黑洞吞噬,也不會產生什么吸積流和吸積盤。

        如果有另一個文明觀測,壓根不會直到地球被吞了,頂多能看見太陽形成的吸積盤。可悲的是,黑洞的質量比太陽大很多,動輒得咎就是上億倍,質量越小的恒星,被吞得越快,因此它只有那圈紅光能夠證明這里有一個恒星。

        可是黑洞卻蘊含著巨大的能量,它是目前已知的唯一能夠超越光速的存在。這并非說黑洞的運行速度比光快,而是說它的能量能夠克服光的逃逸,如果將這個能量表達出來,那么就會出現超越光速的物質。還記得科幻電影里面的宇宙飛船能夠穿梭在宇宙的各個角落嗎?它就是利用了曲率引擎。

        所謂曲率引擎,指通過對時空本身的改造來驅動飛行器,讓其飛行速度突破光速限制。愛因斯坦曾提出,當物體的運動速度達到光速時,就會看見過去的景象,這就是穿越時空。但是,想要超過光速談何容易,這可是人類已知的最快的速度。曲率驅動需要能量,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。

        黑洞告訴了人們這個可能的存在,它能夠用自己的引力控制住光,那么這個引力變現,成為一種驅動力,是否就能讓物體的速度超光速?理論上是可以的,但是黑洞的危險也不言而喻,很有可能還沒有加速到人類想要的程度,就先一步被拉入深淵。

        黑洞對人類的吸引力正如它的引力一般,強大無比。盡管我們現在無法靠近黑洞,可并不代表人類就會永遠以一個旁觀者的角度去看待黑洞,宇宙中一切能利用的能量,對人類都有致命的誘惑。

        然而,科學家最擔心的是,離我們最近的并不是這個M87黑洞。如果在人類還沒有發展出曲率技術時,一個黑洞靠近我們的太陽系,那么迎接人類的,只有可怕的毀滅。

        標簽: 愛因斯坦

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