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奇点科学,黑洞周围

简单来说,黑洞把非常大的质量压缩在了ー个非常小的区域内。在黑洞中,越靠近中心的地方,引力越强,强到能够扭曲空间和时。黑洞的中心叫做奇点。

奇点是由爱因斯坦在1915年提出的,当时他发表了广义相对论。相对论是目前对引力性质的最好描述。爱因斯坦曾经怀疑奇点的存在,但今天,它是唯一能够解释我们在黑洞周围观察到的现象的东西。

天文学家把黑洞当成宇宙中的天然实验室,在那种极端条件下,他们可以验证很多猜想和假说。黑洞周围的尘埃和气体在吸积盘(物质受到引力吸引汇聚成的盘状结构)里流动,而吸积内侧边缘的物质会被引力逐渐吸入黑洞中。当物质足够接近时,它就会穿过“事件视界”。这可能是物理学中最迷人的边界:任何物质,包括光,一旦越过事件视界就再也无法从黑洞中逃出来。

因此,天文学家只能通过观察黑洞周围发生的事情来究黑洞。比如,黑洞的引力很强大,恒星会绕着黑洞运转,所以科学家可以根据恒星的质量和轨道来计算黑洞的质量。另外,在事件视界附近,引力可以将光锁定在一条围绕黑洞的轨道中,但由于在事件视界上,引力刚好无法把光東缚住,因此这个轨道非常不稳定,会不断地辐射光子----这些光子要么会落入黑洞中,要么被抛射到黑洞之外的空间。其中些光子会射向地球,如果它们在途中没有遇到任何障碍,或者没有被其他星球的大气层吸收,那么在很多年后,它们会到达地球,被望远镜捕捉到。

黑洞还会以无线电波的形式向外辐射能量。天文学家可以通过事件视界望远镜(EHT,由全球多个地方的望远镜组成的网络)来捕捉波长为1.3毫米的无线电波。20174月,EHT探到了来自M87黑洞的无线电波,在7天的时间里,EHT收集到了5(拍是数据大小的单位,约等于10.7亿兆)的数据,这个数据量相当于4万人在一生中拍摄的照片的总和。

由于数据量太大,无法通过网络传输,因此天文学家只能将数据存储在硬盘上,再把硬盘带到美国和德国,利用这两个地方的超级计算机处理数据,把数据转换成图像。在生成图像的过程中,天文学家还给无线电波赋予了不同的颜色:黄色代表辐射强,红色代表辐射稍弱,而黑色则表示没有探测到辐射的区域。

数据处理要耗费大量的时间。所以,直到2019年,EHT项目的天文学家才发布了人类历史上的第一幅黑洞照片。这张照片极具开创性,因为它第一次向我们展示了黑洞的事件视界---------个被黄色和橙色的光包围着的、深色的盘。通过计算,天文学家得出,M87*黑洞的事件视界的直径大约为392亿千米(太阳的直径大约为140万千米)

文章采集自《奇点科学》杂志  2021.02期  p44

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