等离子体两天绕M87黑洞一周,按照史瓦西半径计算是超光速的,这是怎么回事?

艾伯史密斯


相信大家家里都有一个放大镜吧。我们不妨做一个实验。

将一个物体放在放大镜下以一定速率匀速运动。,这样是不是就会发现从放大镜的焦平面上看这个物体的“像”运动速度=物体的实际运动速率X放大镜的倍率?


黑洞、大质量星体所造成的引力透镜效也是相同的道理。我们有的时候所观测到的超光速现象其实就是透过了放大镜来看运动。

大质量天体(不仅仅是黑洞)都会因为质量巨大引起时空的扭曲,从视觉上看就是向通过一块放大镜来观测放大镜后面的物体。因此会有一个“倍率”。

同时,再说一个概念,我们看到M87*周围的等离子体,实际上还是在黑洞视界之外的等离子体吸积盘。但这个黑洞视界之外依然受到了引力透镜的影响,成了在放大镜下运动的物体。

本身这个等离子盘并没有超过光速,而是遵从着答案前面的 速度=实际速度X放大倍率的公式让大家觉得这个东西是超光速运动了。


当然了,这种现象不仅仅只在M87*黑洞中具有,在很多天文观测中都可以观测到的很多天体运动都是有“超光速”特性的。

这个倍率特性在有的情况下也被我们所利用估算一个遥远天体的质量。


再说一下史瓦西半径,史瓦西半径并不等同于黑洞的半径。

按照相对经典的黑洞研究来说,黑洞就是一个奇点,这个点是没有半径的。所谓的史瓦西半径就是黑洞的不可逃逸引力范围,也叫做黑洞视界。在黑洞视界面到奇点间现在的理论认为是一个完全绝对的真空。

在史瓦西半径内,只要有物质,就会被吸引到奇点中,因此这个区域是一个完全没有物质只有引力作用的空间——绝对的真空环境。


军武数据库


提出这个问题的朋友非常细心,首先我们应该为你的科学态度点赞!

下面就这个问题谈一谈我个人的观点。

M87*黑洞的史瓦西半径

最近科学家拍摄了首张黑洞照片。这个超大质量黑洞距离我们有5500万光年,它的质量是太阳的65亿倍,M87*黑洞位于巨型椭圆星系的中心,它拥有如此巨大的质量在宇宙中其实很正常。

按照史瓦西半径计算公式:R = 2GM / c²

我们可以得到M87*的事件视界半径大约为177亿千米。基于质量估算的准确性,某些国外科技媒体将这个黑洞的史瓦西半径宣布为190亿千米。

我们知道,圆周的计算公式是:C = 2πr

也就是说M87*黑洞的事件视界赤道周长应至少在1112至1193亿千米之间。

奇怪的数据

细心的朋友注意到,在上海的首张黑洞照片发布会上,科学家透露出这样的信息:通过对M87*黑洞的观测和计算发现,黑洞外围吸积物质的高温等离子体物质围绕M87*旋转一周需要两天的时间。如果按M87*最小赤道周长1112亿千米计算,这些高温等离子体的速度达到643518千米/秒。

(黑洞照片发布会上的显示画面)

这个速度比光速(300000千米/秒)居然高出了一倍多!

众所周知,按照狭义相对论,光速是宇宙中最快的速度,64.3万千米/秒的等离子体流速显然违反了这个原则。

到底哪里出了问题?

这要从黑洞本身说起

我们知道,黑洞是巨大天体内部物质因引力发生坍塌,引力将原子以及其内部的中子压碎,所有物质挤压在一起形成一个致密的点,这个点因质量极大体积极小,它强大的引力强烈扭曲了周围的时空,使得光都无法逃离。

(黑洞模拟图,周围物质必须高速旋转才不会被吸入黑洞的视界)

因为光和一切物质都只能进不能出,如果我们从远处看黑洞,它中间有一部分是黑的,这个黑的范围就叫事件视界。我们不知道里面到底发生了什么,但我们能看到这个视界外围发生的事情。

如果你处在黑洞附近,要怎么才能不被它吸进去呢?你需要绕着它转。你转的速度越快,获得的角动量就越大,当离心运动的力大到足以抵消黑洞对你的吸引力时,你就可以保持与黑洞的距离。这符合物理学上的角动量守恒定律。

(角动量有关的图形表达)

科学家们发现在黑洞M87*周围有大量的吸积物质在围绕着它旋转,这些物质是M87星系中心附近的尘埃和碎片,也许是某一颗被黑洞捕获恒星的残骸,这些尘埃被强大的引力场吸引并撕扯得粉碎,它们互相摩擦,成为高温等离子体流。我们之所以能看见它们,是因为它们旋转的速度足够快,因此得以暂时留在黑洞的事件视界之外。

(我们看到的光环是吸积物围绕黑洞旋转所产生的高温等离子流,这个等离子漩涡越靠中间速度越快,而黑洞绝大部分的表面都被高温物质覆盖,我们很难看见它的全貌)

高温等离子体流的旋转速度能够超过光速吗?不能。

唯一合理的解释是,科学家们观察到的等离子体流并不是围绕M87*赤道旋转,它们处于事件视界高纬度的位置。在这个位置由于其轨道周长短,所以等离子体流尽管速度非常快,但不会超过光速。

(我们所观察到的高速等离子流实际处于M87*高纬度轨道面上,它的轨道长度比黑洞视界赤道要短的多)

合理的解释

根据以上分析,我们可以得出这样的解释:由于我们地球的观察方向处于超大型黑洞M87*的自转轴(这个表述不大准确,只是方便理解)北极方向,同时也因为这个黑洞附近有的吸积物并且吸积物又没有完全“淹没”黑洞两极的视界,才使得我们有机会窥其一孔。

这个孔洞处于黑洞很高的纬度,所以它的轨道周长要远小于赤道的长度,我们单纯以黑洞事件视界赤道的长度来计算高纬度等离子体流的速度显然是不合适的,它们确实很快,但不会超过光速。同时处于黑洞赤道附近的等离子体流速要慢得多。

(对黑洞吸积盘的分析)


周志宏glee


在黑洞外,任何时候都不可能快过光速,除非是使用曲速引擎式的运行形式。当然了,M87黑洞周围的等离子体也不可能让黑洞的旋转超过光速,这是相对论不允许的。



该黑洞质量是太阳的65亿倍,如果把它按照史瓦西黑洞计算 其半径可以达到约117亿千米,这么算下来,两天绕其一圈的等离子体确实超过了光速,环绕速度高达64万千米每秒。但是,科学家并没有说这个黑洞就是史瓦西黑洞,也没有说该黑洞的视界半径有多大。前两天公布的照片,只是证明该黑洞存在,相对论是对的,具体很多该黑洞的细节信息,并没有展露出来。



既然不一定是史瓦西黑洞,那么它的视界半径就不能按照史瓦西公式计算。黑洞的类型很多,有克尔黑洞、R-N黑洞、克尔-纽曼黑洞。当然,这些是爱因斯坦场方程解出来的黑洞,至于是否还有其它类型的黑洞,很难说。这些不同类型的黑洞,结构也不一样,视界半径的定义肯定也不一样,所以周围的等离子体到底是如何旋转的,处于黑洞的何种位置旋转,还不是很清楚。所以,现在就以史瓦西黑洞半径去判定超光速,有点为时过早了。



当然了,以上也是个人的一点猜测,各位有好的见解吗?


科学探秘频道


其实黑洞就是一个空洞,为什么是空洞呢?大家看看漏斗,水旋转下去产生离心力,越往中心位置旋转速度越快,离心力也就是所谓角速度越大,物质自然尽量往外抛离。漏斗是小范围黑洞,我们常见的台风眼也是一样,然后我在往大的看,许多星际物质形成一个大的风暴,中心和台风漏斗一个原理,其实什么都没有,所以看不见,为什么连光都看不见,这点相关理论是正确的,因为靠近中心的旋转速度已经大于光速了,因而旋转速度极快,连光线都被抛离出来了,但我们地球可见的台风眼,只是气压相对低点,因为体量不够,不至于连光线都被抛离了。所以黑洞就是一个连光线都被抛离出来的绝对空洞。这就是一个基本的物理原理。

所以我们假设真有所谓的实体黑洞,为什么看不见呢?一定有边缘的,就像这次黑洞照片,中间一看明显的空洞,难道又是一件皇帝的新衣吗?


步步为赢要步步为营


黑洞吸积盘内测半径约等于史瓦西半径,要最少的时间环绕黑洞只能在无限接近史瓦西半径的轨道完成,史瓦西半径的公式是:

R=2GM/(C^2)

圆轨道环绕周期公式:

T=2πR/V

这里V最快为光速C,于是史瓦西半径附近环绕周期公式是:

T=4πGM/(C^3)

这里G是万有引力常数=6.7E-11

M是黑洞质量,根据报道65亿倍太阳质量,太阳质量是2E30,M=130E38

C是光速=3E8

带入公式

T=405E3秒=4.68天

那么为什么发布会上专家会说2天?真的有超过2倍光速么?

个人推测,室女座M87星系中心黑洞发现初期曾经估测质量为30亿倍太阳质量,根据本次观测才更新为65亿倍,按照原来的数据计算下来周期就是2.16天了,专家很可能使用了旧版本的文字描述。

以上计算用的史瓦西半径公式是通过广义相对论得出的,在相对论体系内光速是速度上限,这一点没有变化。


nordland


我的简短理解与解释如下:实际上不是物质速度快过了光速,是黑洞造成的空间扭曲,这个理解可以参照宇宙大爆炸造成的时空膨胀,越远离地球的星系速度越快,直至超过光速,但是实际上不是星系的速度超过了光速,是空间的膨胀造成的相对速度,就好比一个气球上两个点,随着气球膨胀两个点越来越远。


小潘哥SZ


v=s/t,作为光速是恒定量,v最大也不会超过光速,黑洞的周长也是恒定数值,真正被改变的是t也就是时间。在靠近黑洞的时间已经被扭曲,比我们的时间是慢的,所以s/t但t变大了,所以真实的速度v会比我们的t计算的小,也就是粒子确实是以光速运作,但是时间和我们的时间不一样。


用户4888438032452


在时空里时间是相对于空间来说的,光速在时空里是极限速度,不可超越。但是当光进入扭曲的时空之后,其速度在扭曲时空里传播速度依然是极限速度,但在扭曲时空之外看就会发现异常了。

黑洞恰恰就能造成严重时空扭曲,所以你在外部时空去看黑洞附近时空因素时,比如速度,要记得用爱因斯坦的相对论来看待。

唉你跟我一样经研究没用的,还是研究如何赚钱吧哈哈哈


精神病自言自语说


小编初中物理是音乐老师教的,唱得好听,其实一窍不通,基本物理概念是错误的,在错误的概念上推论只能是荒谬的结论。


士大夫808


我给你打个比方其实就是气球漏了个洞,那么里面的所有气体都要受到吸力向外排


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