为何黑洞是红的？为什么爱因斯坦又对了？答案是黑洞背后的超算

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100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1700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1862年命名并引入热力学内的一个名词。黑体（Black body）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（Black Hole）吞噬一切物质的特性一样。

爱因斯坦的胜利

黑洞在1970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1915年，爱因斯坦（Albert Einstein）发表了广义相对论，提出了著名的爱因斯坦场方程。

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）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1970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。

1978年，美国物理学家Jean-Pierre Luminet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IBM7040穿孔计算机完成的。2014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2017年，拍摄黑洞计划正式启动。

第一张照片

2019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5500万光年，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13000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关注，因为这不仅证实了爱因斯坦的预言又对了，其在100多年前发表的公式成功预言了黑洞，也让全人类看清了一种天体，从此，人类的历史上，又添了一颗星体的照片。

发红的黑洞

按理说，黑洞会吞噬一切物体，它本身是不会发光的。但是，黑洞的范围不是无限的，在其引力范围之外，光以曲线的形式逃跑，因此理论上，黑洞的照片应该像日全食的时候一样，中间是黑的，周围有微光。那些光很有可能是被它吞噬的恒星，在消失前最后一次向宇宙说明自己曾经来过。

宇宙中的黑洞是旋转的

科学家们解释道，别看这张照片是静态的，其实宇宙中的黑洞是在旋转的，而且它吞噬天体并不是像鲸鱼那样一口就将天体吞下去，而是从天体的最外层开始，利用武侠中“吸星神功”一样的方式，将天体表面的物质吸走。

天体是由外向内被吸干，而不是被吃进去的。如果黑洞吞噬的是一颗恒星，其表面多的是氢，它们正在剧烈的核聚变，结果被吸走，于是形成了吸积气体流。

吸积气体流

就好比水池放水，整个出水口只有一个，于是在出水口那里会形成一个旋涡。恒星的周围也只有这一个吞噬口，这些物质也会像水流一样旋转，形成黑洞周围的吸积盘。

恒星是什么颜色？看看太阳的高清照就知道了，恒星大多数都是红色的火球，那么不管是吸积气体流，还是吸积盘，都是由恒星的一部分组成的，因此也会随恒星呈现红色。这就是黑洞周围是红色的原因。

早在此前观察的时候，科学家们还发现，黑洞的中心会形成喷流，只可惜喷流里的物质很少，比起吸积盘的范围小太多，亮度也远不如吸积盘，所以拍摄到的照片中没有显现喷流。

为何研究黑洞

拍摄黑洞计划耗时两年多，发动了8台天文射电望远镜，横跨南半球，上千名天文学家参与，背后是两个研究所的超级计算机系统，花费上亿美元。人类费这么大的力气研究一个距离我们5500万光年外的天体是为了什么呢？总不会是人类要移民去黑洞吧？这可不兴移啊。

黑洞虽然很恐怖，无论再大的天体，都能被其瓦解，如果是地球遇到它，那么地球只有乖乖被撕碎的份。而且地球是行星不会发光，就算被黑洞吞噬，也不会产生什么吸积流和吸积盘。

如果有另一个文明观测，压根不会直到地球被吞了，顶多能看见太阳形成的吸积盘。可悲的是，黑洞的质量比太阳大很多，动辄得咎就是上亿倍，质量越小的恒星，被吞得越快，因此它只有那圈红光能够证明这里有一个恒星。

可是黑洞却蕴含着巨大的能量，它是目前已知的唯一能够超越光速的存在。这并非说黑洞的运行速度比光快，而是说它的能量能够克服光的逃逸，如果将这个能量表达出来，那么就会出现超越光速的物质。还记得科幻电影里面的宇宙飞船能够穿梭在宇宙的各个角落吗？它就是利用了曲率引擎。

所谓曲率引擎，指通过对时空本身的改造来驱动飞行器，让其飞行速度突破光速限制。爱因斯坦曾提出，当物体的运动速度达到光速时，就会看见过去的景象，这就是穿越时空。但是，想要超过光速谈何容易，这可是人类已知的最快的速度。曲率驱动需要能量，人类目前的能量根本达不到驱动至光速的可能，更不要说超越光速。

黑洞告诉了人们这个可能的存在，它能够用自己的引力控制住光，那么这个引力变现，成为一种驱动力，是否就能让物体的速度超光速？理论上是可以的，但是黑洞的危险也不言而喻，很有可能还没有加速到人类想要的程度，就先一步被拉入深渊。

黑洞对人类的吸引力正如它的引力一般，强大无比。尽管我们现在无法靠近黑洞，可并不代表人类就会永远以一个旁观者的角度去看待黑洞，宇宙中一切能利用的能量，对人类都有致命的诱惑。

太阳系

然而，科学家最担心的是，离我们最近的并不是这个M87黑洞。如果在人类还没有发展出曲率技术时，一个黑洞靠近我们的太阳系，那么迎接人类的，只有可怕的毁灭。