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为啥黑洞是红的?为啥说爱因斯坦又对了?答案是黑洞背后的超算

作者:答案在这儿

此前NASA表示,他们通过哈勃望远镜发现了一个在银河系周围“漂移”的流浪黑洞,并认为这个黑洞应该是恒星演化之后的产物。这虽然不是人们第一次发现黑洞了,但是依旧很让人激动。

还记得2019年第一张黑洞照片公布时候的情形吗?当时人们一边惊叹于黑洞照片竟然这么难拍摄,一边疑惑为什么黑洞会是红色的。

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第一张黑洞照片于2019年公布

那么,黑洞到底是黑的还是红的?为什么随着对黑洞的观测愈加深入,大家都会说爱因斯坦又对了呢?

史上第一张黑洞照片竟是“红色”

爱因斯坦早在上个世纪就预言了黑洞的存在,可是由于人类的观测水平有限,我们一直无法观测到宇宙中的黑洞。再加上黑洞拥有强大的引力,人们对洞内的情况又一无所知,渐渐这个东西的形象就越传越“玄乎”。

在获得黑洞的照片之前,大家就发挥了自己的想象力,描绘出了想象中的黑洞。直到第一张黑洞照片公布,这个宇宙中的神秘幽灵的面纱,才算真正被揭开了一角。

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人们想象中的黑洞显得“千奇百怪”

2019年4月,事件视界望远镜(EHT)的国际合作团队,公布了利用全球多个毫米波望远镜组成的干涉阵拍摄到的黑洞照片。

这个黑洞位于椭球星系M87的中心,与地球之间隔着月5500万光年的距离。

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椭圆星系M87所处的位置

事实上,事件视界望远镜国际研究团队的天文学家们,最初是定了两个超大质量黑洞为观测目标的,一个是呈现出照片的M87黑洞,另一个则是位于银河系中心的超大质量黑洞。

这二者和地球之间的距离差异很大,位于银河系中心的超大质量黑洞和我们,大约只有2.5光年的距离,不过M87黑洞的大小约是太阳的60亿倍,银河系中心的黑洞则是太阳的400万倍左右。因此,若说只是单纯观察黑洞的阴影和“光环”的话,M87黑洞会更典型一些。

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银河系的中心也有着大质量黑洞

可问题是,它为什么是红色的?

其实这与黑洞本身的性质有关,大家都知道黑洞会毫不留情地将身边的物质吞噬进去,而它的“进食”并不是一口就吞入,对于某些质量较大的恒星,黑洞会选择细嚼慢咽。

炙热的恒星在被吞噬的过程中,表面的物质会形成吸积气体流,这些气体流环绕在黑洞的身边,与其一起运动。这就是咱们常说的吸积盘,而我们看到的黑洞照片外环的“红色”也是吸积盘。

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黑洞的结构示意图,吸积盘往往被描述为红色

那么,吸积盘为什么是红色的?难道所有被吞噬的恒星都是红色的吗?

吸积盘的红色与恒星的颜色并无关系,而是因为研究团队选择了使用红色,来呈现出捕获的光线。简单来说,EHT使用望远镜进行观测的时候,是使用1.3mm的波长作为观测波长的,而观测到的亚毫米波本身就不在可见光范围之内,所以为了将黑洞的吸积盘呈现出来,需要后期为其配色。

毫无疑问,人们选择了红色,不过如果大家想改成别的颜色也是可以的,只是这个处理过程还是比较麻烦的,往往需要依靠超级计算机。

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人们依靠超级计算机处理出了黑洞的照片

说完了黑洞为什么是红色的,我们再来看看为什么大家都说爱因斯坦又对了。

爱因斯坦又对了?

爱因斯坦是世界上最伟大的科学家之一,而更厉害的是,他虽然已经离开人世已久,留下的预言却一个接一个应验。早在广义相对论当中,爱因斯坦就表示宇宙中存在“黑洞”,并且对黑洞进行了某些描述。

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爱因斯坦在相对论中预言了黑洞的存在

回顾黑洞的“预言史”,你会发现,第一个预言黑洞的人并不是爱因斯坦。

早在1783年,那个经典力学统治物理学界的时代,地质学家米歇尔就率先提出了宇宙中存在“暗星”,后来拉普拉斯便将其写进了自己的书中。

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米歇尔和拉普拉斯在经典力学时代就预言了黑洞

不过大多数人一直对黑洞的存在十分质疑,因此在被提出之后,也没得到太大的关注。直到爱因斯坦建立广义相对论,而物理学家史瓦西很快得出了史瓦西解,在强强联合之下,黑洞的样子才算是呈现在了人们眼中。

资料显示从广义相对论的角度来说,黑洞是空间的一个奇点,可以用时空弯曲的不同程度来粗略地理解“黑洞”。可以看成是当“引力塌缩”后,物体体积极小、质量密度极大时的极限情形。
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爱因斯坦在广义相对论中是如何预言黑洞的?

很显然,黑洞被验证存在,甚至直接被拍到了照片,这些现象都说明,爱因斯坦确实又对了。不仅如此,加州大学伯克利分校的天文学家还认为,银河系中心的黑洞还检验了爱因斯坦的理论,证明了其理论中的预测。

加州大学伯克利分校的德里亚·盖兹和杰西卡·卢,针对银河系中心黑洞附近的一颗恒星进行了追踪。这颗恒星在绕黑洞轨道超齿运行,过程中它扭曲了时间和空间的几何形状,且愈加靠近黑洞,其光就会发生引力红移,这种引力红移无疑符合广义相对论的预言。

杰西卡·卢表示,“测量超大质量黑洞周围的引力红移,实际上是检验广义相对论的新时代的开始。”
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科学家发现了黑洞附近恒星的引力红移现象

总之,爱因斯坦为这个世界留下了太多的“预言”,而随着预言被接连验证,人们就愈加佩服这位伟大的科学家。

值得一提的是,不论是给黑洞洗照片,还是对黑洞附近的恒星进行追踪,实际上都要靠其背后的“超算”,若是没有它的帮助,我们想揭开黑洞谜题的冰山一角都显得十分困难。

超算助力黑洞揭秘

超算指的其实就是超级计算机,咱们上文中所提到的第一张黑洞照片,就是研究小组依靠它“洗”出来的。至于那个红色的圈,也是通过计算机进行特殊处理的。

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黑洞的观测到成像,都经过了超级计算机的助力

由于超级计算机拥有超强的运算能力,所以人们通常会用它来模拟一些宇宙中的特殊“事件”,比如说黑洞吞噬恒星的过程,就可以用超算建立出一个模型。

除此之外,美国普林斯顿大学的研究员巴尔特·里珀达,还与自己的研究小组,利用超算的集群,使其生成了一个黑洞视界之外的图像,向人们展示为什么黑洞会突然发出耀眼的光芒。

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人们依靠超级计算机建立黑洞模型,生成了黑洞视界之外的图像

得益于超级计算机的强大,如今咱们虽然无法穿过漫长的光年距离,直接目睹黑洞身边发生的一些变化,但是却能将其通过某些算法在电脑上“展现”出来。

虽然从理论上来说,这些模型和图像,咱们这些外行人肯定看不明白,但是只要研究者能够通过模拟,找到更多关于黑洞的信息,那么未来总有一天,我们能够破译黑洞身上更多的秘密。

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未来我们会依靠超级计算机解开更多关于黑洞的秘密

就让我们一起期待着,超算能够带给人类更多的惊喜吧!

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