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回顾:黑洞竟是红的,为何说爱因斯坦又对了?答案是黑洞背后的超算

2024-10-16科学

明明叫黑洞,为什么黑洞照片的颜色是红色的?为什么它不叫红洞?

其实,这和黑洞一开始的命名有关,它最初是爱因斯坦广义相对论的一个衍生猜想,最后一点一点被证实。

黑洞为什么是红色的

等人们拍摄到黑洞的第一张「玉照」,已经是2019年的事情了,此时距离黑洞这个假设已经过去了近100年。

名字都已经被写进去了,也就不好随意更改。

或许很多人不知道的是,咱们看到的这个黑洞照片,其实也不是黑洞的真实样子,它是后期处理过的。

黑洞的照片其实是「照骗」

爱因斯坦与黑洞

提到黑洞,大家第一个会想到 霍金 ,的确,霍金教授研究黑洞研究得比较多,在上面取得的成就也非常高。

但是,黑洞并不是霍金第一个发现的, 它源于爱因斯坦的广义相对论

不管是狭义相对论还是广义相对论, 在当时都是一种假设 ,没有实验作为支撑,但是这不妨碍科学家们研究相对论。

一位叫做 卡尔·史瓦西 天文物理学家,在爱因斯坦论文发表后的第二年,开始研究 爱因斯坦的引力场 ,在进行计算之后, 得到了一个固定值

黑洞的概念和爱因斯坦有关

史瓦西认为,只要进入这个范围,那么 无论是什么物质都会被吸进去

根据史瓦西的计算,只要天体的半径小于这个定值,那么它就会 发生吞噬其他物体的现象 ,后来这个半径被称为 「史瓦西半径」

后来的天文物理学家不断地完善这一假设, 得到了一个天体的假想 ,它的半径小于史瓦西半径, 质量大到离谱,密度也非常大

由于光也无法从这个范围内逃出去,理论上这个天体是不发光的,所以是一片漆黑, 被命名为「黑洞 」。

卡尔·史瓦西和他的「史瓦西半径」

从此,黑洞这一名词诞生, 这在当时不过是一种假设 ,即使真的存在黑洞,仅仅通过光是不可能发现它的。

但是,不能从光学上发现它,总会有别的方法, 1970年,人类第一次发现了黑洞

当时的人造卫星发现,在 天鹅座X-1 方向有特殊的射线发射出来, 与过去接收的射线完全不一样

这个发现表明,黑洞不再是一个假设,而是宇宙中真实存在的天体, 爱因斯坦又对了

黑洞最初是一个假设

黑洞的存在,可以作为广义相对论正确的一个重要证据。

但是,就像黑洞一开始的定义一样,它是吸收所有物质的,人们通过天文望远镜根本就看不到它的存在。

既然看不到,为何还能拍出一张照片呢?

人们对黑洞的想象

拍摄黑洞

其实,万众瞩目的黑洞照片, 是一张「照骗」 ,如果非要严格意义来定义,所有太空图片都有一定程度的Ps。

黑洞的第一张照片, 是8台望远镜经过长时间的追踪 ,最后经过超级计算机的处理,合成的照片。

这是一个处于 M87星系的黑洞 ,距离我们 5500万光年 ,质量是太阳的 65亿倍

黑洞的时空曲率非常巨大,光也逃不掉,所以没有光从黑洞中发射出来,但是, 黑洞中心没有光,不代表黑洞周围没有光

黑洞在M87的位置

可能很多人对黑洞有误解,认为它像贪吃蛇一样,吧唧吧唧就把天体吞了,实际上,黑洞吞噬才是真正的吸星大法。

在没有被完全吸光之前, 天体残余的部分依旧是发光的 ,这其中还会发射很多射线,比如 γ射线

因此,在地球上不同的位置,天文学家找到了 8台天文望远镜 ,从北半球到南半球,全部监测M87星系。

它们组成了一个望远镜系统叫做 视界望远镜(EHT) 相当于一个口径 13000公里 的大望远镜。

参与拍摄黑洞的八台天文望远镜

这些望远镜全部都是射电望远镜,不是在「看」黑洞,而是在 接收黑洞周围的电磁波 ,然后将其转化为数据储存起来。

等到监测任务完成得时候, 电磁波数据存满了2000多个硬盘

之后得一切就要交给超算了,也就是超级计算,这是 利用计算机对这些数据进行处理 ,一般的计算机根本做不到,得需要 超级计算机

来自美国和的德国的超级计算机团队,对这 上百亿个G的数据进行处理 ,筛选出不必要的数据。

超级计算机

其实监测工作早在2017年就已经完成,但是照片是在2019年才合成出来,可见这背后巨大的工作量。

有的时候科学家们处理了 一整天的数据几百个G,没一个B(字节)是有用的

所以,这张照片不是拍摄的,是通过电磁波信号转化而来的。

照片中的黑洞像一只猫猫的眼睛, 中间是黑的,周围是红色的 ,网友们纷纷开始恶搞P图。

玩归玩,闹归闹,科学的事情也不敢开玩笑,不是说好了黑洞吗?咋处理出来是「红洞」了?

人类第一张黑洞照片

黑红黑红

关于黑洞为什么是红色的,不少网又表示,没听过 「黑到深处自然红」 吗?

当然,这是调侃的玩笑话,其实黑洞的颜色很早之前霍金就研究过,他当时就认为 黑洞周围是有颜色的

黑洞的颜色,还要从它吞噬天体的「吸星大法」开始说起。

当一个黑洞靠近一个天体的时候, 天体会被黑洞巨大的引力撕碎 ,这些碎片不会立马被黑洞吞噬掉,而是 像漩涡附近的水一样,围绕黑洞旋转

黑洞吞噬天体

虽然被撕碎了,但是 这些天体的组成原子没有 变,比如恒星,还是氢原子。

这些碎片 围绕黑洞组成了一个吸积盘 各种反应还在进行 ,所以 会发光、产生射线、甚至还会出现声音

2022年, NASA就听到了黑洞吞噬的声音 ,这是非常罕见的,因为黑洞什么都吸,它会吸收星云,而组成 星云的主要成分是气体

这个时候的 黑洞吸积盘就不是真空的 ,而是有「空气」的,内部吞噬的声音就会通过星云残骸传播。

宇宙中的各种星云

视界望远镜(EHT)捕捉的信号,也正是 吸积盘发射出来的电磁波

我们所看到的黑洞照片是红色,那个 红色其实就是超算处理出来的吸积盘颜色 ,大部分恒星的颜色都是红、黄、橙色系,因此处理出来就成了「红洞」。

而且,M87星系的黑洞,只是黑洞的一种,根据霍金的研究, 黑洞的类型应该有很多种 ,根据物理性质就有: 旋转不带电的、不旋转带电的、不旋转不带电的 等等。

那么,黑洞是如何产生的,它总不可能凭空出现在宇宙吧?

黑洞专家霍金

黑洞的诞生

黑洞是 大质量恒星「黑化」的结果 ,也就是它们燃烧完了自己所有的燃料,内部聚合反应到了铁元素, 所有的聚变基本到头了

这样的恒星已经不再发光发热,进入了垂老之年,脾气那是相当的暴躁,突然想不开,它就爆炸了。

这个爆炸叫做 超新星爆炸 ,它会将恒星外面的物质全部炸飞, 只留下一颗内核 ,内核的半径小于史瓦西半径,质量非常大,遇见谁就吞噬谁。

大质量恒星和太阳(左下角的小红点)

这颗内核演化为了一个黑洞 ,而那些被炸飞的成分,在爆炸的能量中, 又再次回到了最初的起点氢原子

它们组成了星云,而 星云又将是下一颗恒星的诞生之处

我们的太阳系就是从星云中诞生的,也就是说它的前世很有可能是 一颗变成黑洞的恒星

那太阳会变成黑洞吗?不会,因为太阳太小了,它在宇宙中只是一颗普通恒星,最后只能 「安安静静」地演化成一颗白矮星

太阳的归宿白矮星

这个安静只是相对于大质量恒星而言,太阳的晚年其实也会很暴躁,只是质量不允许它爆炸。

迄今为止人类只拍摄到了两个黑洞的照片, M87星系黑洞以及我们的银心黑洞人马座A* ,但是宇宙的黑洞不止这两个。

未来会有更多黑洞的照片面世,它会在人类的不断研究中,脱掉「可怕」的外衣。