黑洞,可以说是宇宙中最危险却又最迷人的天体。它的发现离不开一个人——爱因斯坦,虽然不是他老人家亲自发现的黑洞,但如果没有他的广义相对论,黑洞的发现起码会晚50到年。为什么这么说?大家接着往下看。
人类为什么要研究黑洞?因为黑洞代表了宇宙中的一种究极形态,那是光都逃不掉的空间。同时,黑洞具有巨大的能量,尽管现在对于人类来说,黑洞的能量是毁灭性的,但这并不妨碍人类未来对其利用,就是这个未来不知道是多少年后了。
黑洞的外观结构
总之,黑洞对于人类的吸引力太大,我们没有理由错过它!
黑洞的由来
黑洞并不是概念天体,而是宇宙中真实存在的。并且是人类已知的质量最大的存在,就连光也无法从其引力范围内逃离。同时,黑洞也是密度最大的物质,它的密度大到无法用具体的数字来表示。黑洞并不是凭空出现在宇宙中的,它的前身是恒星。
“恒星的一生”
恒星是宇宙中常见的能量发射体,不同恒星之间的差距非常大。比如,最小的恒星,质量只有太阳的7%到8%;最大的恒星,半径可以是太阳的倍。不同的恒星归宿也会不一样,像太阳这样的恒星,最后结局就是一颗白矮星,孤零零地在宇宙中处于死寂。而大质量的恒星,会在灭亡之前轰轰烈烈,最后要么变成中子星,要么变成黑洞。
白矮星和中子星
恒星含量最多的元素是氢,这是宇宙第一号元素,可以说没有它就没有今天的宇宙天体。氢原子之间通过核聚变反应,合成质量更大的原子,并释放大量的能量。根据元素周期表上的顺序,它先是合成氦原子,当一颗恒星上的氢原子全部消耗完毕,形成氦原子后,恒星也结束了自己最稳定的主序星时期。
氢原子的构造
氦原子继续参与核聚变,但是它产生的能量完全比不上氢原子。这个时候,恒星的表面会膨胀,内部因为核聚变产生大质量的原子而收缩。当聚变进行到铁元素时,外部膨胀和内部收缩打破平衡,恒星再也没有办法维持下去。这时它有两条路,一条是坍塌,这是质量较小的恒星的路;另一条就是来一场爆炸,让周围的一切来为恒星陪葬。
恒星爆炸
爆炸会将恒星外部的物质全部甩走,成为星云的一部分,参与下一个恒星的诞生,所以这个爆炸被叫做超新星大爆炸。爆炸之后,恒星就只剩下一个内核了,体积与原来相比不值得一提。但是,它曾经大部分的质量被浓缩到这个内核里,于是它要么演化成中子星,要么演化成黑洞。科学家们发现,质量在太阳8倍以上的恒星,有向这两种天体演化的趋势。
超新星大爆炸
黑洞的引力非常强大,能够将光也吸进去,要知道光速是目前已知的最快速度,连它都无法逃离,可想而知其他天体遇上黑洞的命运。黑洞的名字灵感来自于黑体,黑体是基尔霍夫在年命名并引入热力学内的一个名词。黑体(Blackbody)是一个概念体,它不会产生反射和投射,吸收一切电磁辐射。这与黑洞(BlackHole)吞噬一切物质的特性一样。
爱因斯坦的胜利
黑洞在年被人类第一次发现,但科学家确立黑洞存在的时间更早,可以追溯年,爱因斯坦(AlbertEinstein)发表了广义相对论,提出了著名的爱因斯坦场方程。
年,德国天文学家卡尔·史瓦西(KarlSchwarzschild)利用方程得到了一个解。
卡尔·史瓦西
这个解表明,当半径小于一个定值,天体的周围会存在视界,一旦进入视界,光也无法逃脱,这个定值被称作史瓦西半径。
后续的天文学家们对这个半径继续研究,最终得到了一种天体,称之为黑洞。可是受制于当时的天文技术,黑洞只是一种假说,没有证据证明宇宙中真的存在,即便是年人们发现了黑洞的踪迹,还是无法肯定这个天体的存在,科学家们甚至不知道黑洞的模样。
年,美国物理学家Jean-PierreLuminet绘制了第一幅黑洞概念图,图上的黑洞犹如黑色的旋涡,又像一个无神的黑色眼睛,这是Luminet借助IBM穿孔计算机完成的。年,电影《星际穿越》在Luminet的基础上,用电脑特效渲染了一个黑洞图像,仿佛一个黑色的深渊巨口。
第一幅黑洞概念图
科学家们认为黑洞是黑色的,因为光无法从它的周围逃逸,因此我们只能看见黑洞的“光环”,也就是它引力范围以外的区域,光线的逃逸路线会出现曲率,那是唯一能够证明黑洞的浮光掠影。为了能够拍到黑洞的照片,全世界的天文观测点联合起来,在年,拍摄黑洞计划正式启动。
第一张照片
年4月10日,人类历史上的第一张黑洞照片问世,瞬间震惊了世界。这张照片的黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球万光年,是太阳质量的65亿倍。黑洞是根据爱因斯坦的广义相对论被计算出来的,因此它被证明在极端条件下仍然成立。
第一张黑洞照片
为了拍摄这张名垂青史的图片,位于美国、西班牙、墨西哥、智利以及南极的8台亚毫米射电望远镜同时展开观测。科学家将这8台望远镜构建成视界面望远镜(EHT),口径公里,约等于地球的直径。这相当于在法国巴黎观看美国纽约的报纸,每个字母都能看得清清楚楚。
射电望远镜
然而,构成视界面望远镜只是第一步,由于这8台望远镜是射电望远镜,得到的是数据而非图像。因此需要将这些数据通过超算系统处理,最终得到图像。因为每一台望远镜得到的数据有1PB,普通的计算机根本不可能处理得过来。
数据被发送给了麻省理工大学以及德国的马普研究所,二者运用自己的超级计算机处理系统,对数据进行分析,最终运用电脑合成,得到了黑洞的第一张照片,耗时两年。
“红色的黑洞”
这是科学家们之前没有料到的图像,图像的中心的确是黑色的,可是它的四周却是红色的。与其说叫“黑洞”,不如叫“红洞”。这张照片一经公布,很快获得了全世界的