等離子體兩天繞M87黑洞一週,按照史瓦西半徑計算是超光速的,這是怎麼回事?

艾伯史密斯


提出這個問題的朋友非常細心,首先我們應該為你的科學態度點贊!

下面就這個問題談一談我個人的觀點。

M87*黑洞的史瓦西半徑

最近科學家拍攝了首張黑洞照片。這個超大質量黑洞距離我們有5500萬光年,它的質量是太陽的65億倍,M87*黑洞位於巨型橢圓星系的中心,它擁有如此巨大的質量在宇宙中其實很正常。

按照史瓦西半徑計算公式:R = 2GM / c²

我們可以得到M87*的事件視界半徑大約為177億千米。基於質量估算的準確性,某些國外科技媒體將這個黑洞的史瓦西半徑宣佈為190億千米。

我們知道,圓周的計算公式是:C = 2πr

也就是說M87*黑洞的事件視界赤道周長應至少在1112至1193億千米之間。

奇怪的數據

細心的朋友注意到,在上海的首張黑洞照片發佈會上,科學家透露出這樣的信息:通過對M87*黑洞的觀測和計算發現,黑洞外圍吸積物質的高溫等離子體物質圍繞M87*旋轉一週需要兩天的時間。如果按M87*最小赤道周長1112億千米計算,這些高溫等離子體的速度達到643518千米/秒。

(黑洞照片發佈會上的顯示畫面)

這個速度比光速(300000千米/秒)居然高出了一倍多!

眾所周知,按照狹義相對論,光速是宇宙中最快的速度,64.3萬千米/秒的等離子體流速顯然違反了這個原則。

到底哪裡出了問題?

這要從黑洞本身說起

我們知道,黑洞是巨大天體內部物質因引力發生坍塌,引力將原子以及其內部的中子壓碎,所有物質擠壓在一起形成一個緻密的點,這個點因質量極大體積極小,它強大的引力強烈扭曲了周圍的時空,使得光都無法逃離。

(黑洞模擬圖,周圍物質必須高速旋轉才不會被吸入黑洞的視界)

因為光和一切物質都只能進不能出,如果我們從遠處看黑洞,它中間有一部分是黑的,這個黑的範圍就叫事件視界。我們不知道里面到底發生了什麼,但我們能看到這個視界外圍發生的事情。

如果你處在黑洞附近,要怎麼才能不被它吸進去呢?你需要繞著它轉。你轉的速度越快,獲得的角動量就越大,當離心運動的力大到足以抵消黑洞對你的吸引力時,你就可以保持與黑洞的距離。這符合物理學上的角動量守恆定律。

(角動量有關的圖形表達)

科學家們發現在黑洞M87*周圍有大量的吸積物質在圍繞著它旋轉,這些物質是M87星系中心附近的塵埃和碎片,也許是某一顆被黑洞捕獲恆星的殘骸,這些塵埃被強大的引力場吸引並撕扯得粉碎,它們互相摩擦,成為高溫等離子體流。我們之所以能看見它們,是因為它們旋轉的速度足夠快,因此得以暫時留在黑洞的事件視界之外。

(我們看到的光環是吸積物圍繞黑洞旋轉所產生的高溫等離子流,這個等離子漩渦越靠中間速度越快,而黑洞絕大部分的表面都被高溫物質覆蓋,我們很難看見它的全貌)

高溫等離子體流的旋轉速度能夠超過光速嗎?不能。

唯一合理的解釋是,科學家們觀察到的等離子體流並不是圍繞M87*赤道旋轉,它們處於事件視界高緯度的位置。在這個位置由於其軌道周長短,所以等離子體流盡管速度非常快,但不會超過光速。

(我們所觀察到的高速等離子流實際處於M87*高緯度軌道面上,它的軌道長度比黑洞視界赤道要短的多)

合理的解釋

根據以上分析,我們可以得出這樣的解釋:由於我們地球的觀察方向處於超大型黑洞M87*的自轉軸(這個表述不大準確,只是方便理解)北極方向,同時也因為這個黑洞附近有的吸積物並且吸積物又沒有完全“淹沒”黑洞兩極的視界,才使得我們有機會窺其一孔。

這個孔洞處於黑洞很高的緯度,所以它的軌道周長要遠小於赤道的長度,我們單純以黑洞事件視界赤道的長度來計算高緯度等離子體流的速度顯然是不合適的,它們確實很快,但不會超過光速。同時處於黑洞赤道附近的等離子體流速要慢得多。

(對黑洞吸積盤的分析)


周志宏glee


在黑洞外,任何時候都不可能快過光速,除非是使用曲速引擎式的運行形式。當然了,M87黑洞周圍的等離子體也不可能讓黑洞的旋轉超過光速,這是相對論不允許的。



該黑洞質量是太陽的65億倍,如果把它按照史瓦西黑洞計算 其半徑可以達到約117億千米,這麼算下來,兩天繞其一圈的等離子體確實超過了光速,環繞速度高達64萬千米每秒。但是,科學家並沒有說這個黑洞就是史瓦西黑洞,也沒有說該黑洞的視界半徑有多大。前兩天公佈的照片,只是證明該黑洞存在,相對論是對的,具體很多該黑洞的細節信息,並沒有展露出來。



既然不一定是史瓦西黑洞,那麼它的視界半徑就不能按照史瓦西公式計算。黑洞的類型很多,有克爾黑洞、R-N黑洞、克爾-紐曼黑洞。當然,這些是愛因斯坦場方程解出來的黑洞,至於是否還有其它類型的黑洞,很難說。這些不同類型的黑洞,結構也不一樣,視界半徑的定義肯定也不一樣,所以周圍的等離子體到底是如何旋轉的,處於黑洞的何種位置旋轉,還不是很清楚。所以,現在就以史瓦西黑洞半徑去判定超光速,有點為時過早了。



當然了,以上也是個人的一點猜測,各位有好的見解嗎?


科學探秘頻道


黑洞吸積盤內測半徑約等於史瓦西半徑,要最少的時間環繞黑洞只能在無限接近史瓦西半徑的軌道完成,史瓦西半徑的公式是:

R=2GM/(C^2)

圓軌道環繞週期公式:

T=2πR/V

這裡V最快為光速C,於是史瓦西半徑附近環繞週期公式是:

T=4πGM/(C^3)

這裡G是萬有引力常數=6.7E-11

M是黑洞質量,根據報道65億倍太陽質量,太陽質量是2E30,M=130E38

C是光速=3E8

帶入公式

T=405E3秒=4.68天

那麼為什麼發佈會上專家會說2天?真的有超過2倍光速麼?

個人推測,室女座M87星系中心黑洞發現初期曾經估測質量為30億倍太陽質量,根據本次觀測才更新為65億倍,按照原來的數據計算下來週期就是2.16天了,專家很可能使用了舊版本的文字描述。

以上計算用的史瓦西半徑公式是通過廣義相對論得出的,在相對論體系內光速是速度上限,這一點沒有變化。


nordland


我的簡短理解與解釋如下:實際上不是物質速度快過了光速,是黑洞造成的空間扭曲,這個理解可以參照宇宙大爆炸造成的時空膨脹,越遠離地球的星系速度越快,直至超過光速,但是實際上不是星系的速度超過了光速,是空間的膨脹造成的相對速度,就好比一個氣球上兩個點,隨著氣球膨脹兩個點越來越遠。


小潘哥SZ


v=s/t,作為光速是恆定量,v最大也不會超過光速,黑洞的周長也是恆定數值,真正被改變的是t也就是時間。在靠近黑洞的時間已經被扭曲,比我們的時間是慢的,所以s/t但t變大了,所以真實的速度v會比我們的t計算的小,也就是粒子確實是以光速運作,但是時間和我們的時間不一樣。


用戶4888438032452


在時空裡時間是相對於空間來說的,光速在時空裡是極限速度,不可超越。但是當光進入扭曲的時空之後,其速度在扭曲時空裡傳播速度依然是極限速度,但在扭曲時空之外看就會發現異常了。

黑洞恰恰就能造成嚴重時空扭曲,所以你在外部時空去看黑洞附近時空因素時,比如速度,要記得用愛因斯坦的相對論來看待。

唉你跟我一樣經研究沒用的,還是研究如何賺錢吧哈哈哈


精神病自言自語說


一個星球是漂浮在真空中的,如果持續不斷的給它一個固定方向上施加推力使它往一個方向上持續加速,那是不是總有一天會超過光速?如果說沒有東西可以超過光速,那肯定是在一系列約束條件下的,當放開這些條件,光速可能就能被超越


尋志未來


小編初中物理是音樂老師教的,唱得好聽,其實一竅不通,基本物理概念是錯誤的,在錯誤的概念上推論只能是荒謬的結論。


士大夫808


宇宙就是一個巨大生命體!宇宙外還是更巨大生命體!無限大!


熱血沸騰的太陽


黑洞周邊的物質會因為黑洞的引力而加速,形成離心力效應後會超越光速


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