黑洞竟然是紅的,為什麼說愛因斯坦又對了?答案是黑洞背后的超算

明明叫黑洞,為什麼黑洞照片的顏色是紅色的?為什麼它不叫紅洞?

其實,這和黑洞一開始的命名有關,它最初是愛因斯坦廣義相對論的一個衍生猜想,最后一點一點被證實。

黑洞為什麼是紅色的

等人們拍攝到黑洞的第一張「玉照」,已經是2019年的事情了,此時距離黑洞這個假設已經過去了近100年。

名字都已經被寫進去了,也就不好隨意更改。

或許很多人不知道的是,咱們看到的這個黑洞照片,其實也不是黑洞的真實樣子,它是后期處理過的。

黑洞的照片其實是「照騙」

愛因斯坦與黑洞

提到黑洞,大家第一個會想到 霍金,的確,霍金教授研究黑洞研究得比較多,在上面取得的成就也非常高。

但是,黑洞并不是霍金第一個發現的, 它源于愛因斯坦的廣義相對論

不管是狹義相對論還是廣義相對論, 在當時都是一種假設,沒有實驗作為支撐,但是這不妨礙科學家們研究相對論。

一位叫做 卡爾·史瓦西天文物理學家,在愛因斯坦論文發表后的第二年,開始研究 愛因斯坦的引力場,在進行計算之后, 得到了一個固定值

黑洞的概念和愛因斯坦有關

史瓦西認為,只要進入這個范圍,那麼 無論是什麼物質都會被吸進去

根據史瓦西的計算,只要天體的半徑小于這個定值,那麼它就會 發生吞噬其他物體的現象,后來這個半徑被稱為 「史瓦西半徑」

后來的天文物理學家不斷地完善這一假設, 得到了一個天體的假想,它的半徑小于史瓦西半徑, 質量大到離譜,密度也非常大

由于光也無法從這個范圍內逃出去,理論上這個天體是不發光的,所以是一片漆黑, 被命名為「黑洞」。

卡爾·史瓦西和他的「史瓦西半徑」

從此,黑洞這一名詞誕生, 這在當時不過是一種假設,即使真的存在黑洞,僅僅通過光是不可能發現它的。

但是,不能從光學上發現它,總會有別的方法, 1970年,人類第一次發現了黑洞

當時的人造衛星發現,在 天鵝座X-1方向有特殊的射線發射出來, 與過去接收的射線完全不一樣

這個發現表明,黑洞不再是一個假設,而是宇宙中真實存在的天體, 愛因斯坦又對了

黑洞最初是一個假設

黑洞的存在,可以作為廣義相對論正確的一個重要證據。

但是,就像黑洞一開始的定義一樣,它是吸收所有物質的,人們通過天文望遠鏡根本就看不到它的存在。

既然看不到,為何還能拍出一張照片呢?

人們對黑洞的想象

拍攝黑洞

其實,萬眾矚目的黑洞照片, 是一張「照騙」,如果非要嚴格意義來定義,所有太空圖片都有一定程度的Ps。

黑洞的第一張照片, 是8台望遠鏡經過長時間的追蹤,最后經過超級計算機的處理,合成的照片。

這是一個處于 M87星系的黑洞,距離我們 5500萬光年,質量是太陽的 65億倍

黑洞的時空曲率非常巨大,光也逃不掉,所以沒有光從黑洞中發射出來,但是, 黑洞中心沒有光,不代表黑洞周圍沒有光

黑洞在M87的位置

可能很多人對黑洞有誤解,認為它像貪吃蛇一樣,吧唧吧唧就把天體吞了,實際上,黑洞吞噬才是真正的吸星大法。

在沒有被完全吸光之前, 天體殘余的部分依舊是發光的,這其中還會發射很多射線,比如 γ射線

因此,在地球上不同的位置,天文學家找到了 8台天文望遠鏡,從北半球到南半球,全部監測M87星系。

它們組成了一個望遠鏡系統叫做 視界望遠鏡(EHT),相當于一個口徑 13000公里的大望遠鏡。

參與拍攝黑洞的八台天文望遠鏡

這些望遠鏡全部都是射電望遠鏡,不是在「看」黑洞,而是在 接收黑洞周圍的電磁波,然后將其轉化為數據儲存起來。

等到監測任務完成得時候, 電磁波數據存滿了2000多個硬盤

之后得一切就要交給超算了,也就是超級計算,這是 利用計算機對這些數據進行處理,一般的計算機根本做不到,得需要 超級計算機

來自美國和的德國的超級計算機團隊,對這 上百億個G的數據進行處理,篩選出不必要的數據。

超級計算機

其實監測工作早在2017年就已經完成,但是照片是在2019年才合成出來,可見這背后巨大的工作量。

有的時候科學家們處理了 一整天的數據幾百個G,沒一個B(字節)是有用的

所以,這張照片不是拍攝的,是通過電磁波信號轉化而來的。

照片中的黑洞像一只貓貓的眼睛, 中間是黑的,周圍是紅色的,網友們紛紛開始惡搞P圖。

玩歸玩,鬧歸鬧,科學的事情也不敢開玩笑,不是說好了黑洞嗎?咋處理出來是「紅洞」了?

人類第一張黑洞照片

黑紅黑紅

關于黑洞為什麼是紅色的,不少網又表示,沒聽過 「黑到深處自然紅」嗎?

當然,這是調侃的玩笑話,其實黑洞的顏色很早之前霍金就研究過,他當時就認為 黑洞周圍是有顏色的

黑洞的顏色,還要從它吞噬天體的「吸星大法」開始說起。

當一個黑洞靠近一個天體的時候, 天體會被黑洞巨大的引力撕碎,這些碎片不會立馬被黑洞吞噬掉,而是 像漩渦附近的水一樣,圍繞黑洞旋轉

黑洞吞噬天體

雖然被撕碎了,但是 這些天體的組成原子沒有變,比如恒星,還是氫原子。

這些碎片 圍繞黑洞組成了一個吸積盤各種反應還在進行,所以 會發光、產生射線、甚至還會出現聲音

2022年, NASA就聽到了黑洞吞噬的聲音,這是非常罕見的,因為黑洞什麼都吸,它會吸收星云,而組成 星云的主要成分是氣體

這個時候的 黑洞吸積盤就不是真空的,而是有「空氣」的,內部吞噬的聲音就會通過星云殘骸傳播。

宇宙中的各種星云

視界望遠鏡(EHT)捕捉的信號,也正是 吸積盤發射出來的電磁波

我們所看到的黑洞照片是紅色,那個 紅色其實就是超算處理出來的吸積盤顏色,大部分恒星的顏色都是紅、黃、橙色系,因此處理出來就成了「紅洞」。

而且,M87星系的黑洞,只是黑洞的一種,根據霍金的研究, 黑洞的類型應該有很多種,根據物理性質就有: 旋轉不帶電的、不旋轉帶電的、不旋轉不帶電的等等。

那麼,黑洞是如何產生的,它總不可能憑空出現在宇宙吧?

黑洞專家霍金

黑洞的誕生

黑洞是 大質量恒星「黑化」的結果,也就是它們燃燒完了自己所有的燃料,內部聚合反應到了鐵元素, 所有的聚變基本到頭了

這樣的恒星已經不再發光發熱,進入了垂老之年,脾氣那是相當的暴躁,突然想不開,它就爆炸了。

這個爆炸叫做 超新星爆炸,它會將恒星外面的物質全部炸飛, 只留下一顆內核,內核的半徑小于史瓦西半徑,質量非常大,遇見誰就吞噬誰。

大質量恒星和太陽(左下角的小紅點)

這顆內核演化為了一個黑洞,而那些被炸飛的成分,在爆炸的能量中, 又再次回到了最初的起點氫原子

它們組成了星云,而 星云又將是下一顆恒星的誕生之處

我們的太陽系就是從星云中誕生的,也就是說它的前世很有可能是 一顆變成黑洞的恒星

那太陽會變成黑洞嗎?不會,因為太陽太小了,它在宇宙中只是一顆普通恒星,最后只能 「安安靜靜」地演化成一顆白矮星

太陽的歸宿白矮星

這個安靜只是相對于大質量恒星而言,太陽的晚年其實也會很暴躁,只是質量不允許它爆炸。

迄今為止人類只拍攝到了兩個黑洞的照片, M87星系黑洞以及我們的銀心黑洞人馬座A*,但是宇宙的黑洞不止這兩個。

人馬座A*

未來會有更多黑洞的照片面世,它會在人類的不斷研究中,脫掉「可怕」的外衣。


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