偏振光下M87超大質量黑洞的圖像，圖中線條標記了偏振的方向（圖片來源：EHT collaboration）
2019年，事件視界望遠鏡（EHT）公布了人類歷史上第一張黑洞照片——M87星系中心的黑洞照片。就在昨晚，經(jīng)過多年的數(shù)據(jù)處理，EHT公布了黑洞偏振照片。但實際上，這次公布的黑洞偏振照片是被“P”過的，人類并不能分辨黑洞吸積盤上這么精細的結構。不過對天文學家而言，這依然意味著人類首次觸碰到了黑洞視界上的極端磁場，為探索極端相對論性噴流的來源提供了可靠的證據(jù)。
撰文｜王昱
審校｜吳非
黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的產(chǎn)物，但在2019年之前，即使我們能用引力波“聽”到黑洞，也沒有機會用電磁波“看”到黑洞。這是因為黑洞太遠、太小了。即使梅西耶87（即M87）中心的黑洞是擁有數(shù)十億倍太陽質量的星際巨獸，它的事件視界在天空上的投影只有幾個微角秒，就算加上外圍的吸積盤也不過幾十個微角秒。要知道，1度的張角對應著3.6億個微角秒，沒有任何單體望遠鏡能分辨這么精細的角度。因此，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）應運而生。EHT將世界各地的射電望遠鏡聯(lián)合起來，提升分辨率拍攝黑洞照片。
2017年4月，靠近西半球的十幾個望遠鏡將觀測方向共同指向了M87*（M87中心黑洞）。經(jīng)過兩年的數(shù)據(jù)處理，天文學家終于得到了人類歷史上首張黑洞照片。但物理學家不滿足于此，為了探尋黑洞周邊極端的磁場，黑洞偏振信息也是必不可少的。再經(jīng)過兩年的數(shù)據(jù)處理，人類終于迎來了首張黑洞偏振照片。
論文中公布的黑洞偏振照片 圖片來源：ApJL, 910:L13 (43pp)
黑洞偏振照片
那么，這張照片究竟反映了哪些信息呢？我們都知道光是一種電磁波，而電磁波又是橫波，即振動方向和波傳播方向垂直的波。而偏振就是橫波的一種狀態(tài)，表示橫波中的振動方向都只朝向一個方向。大多數(shù)手機、電腦屏幕發(fā)出的光都是偏振光。拿一個偏振片在屏幕前旋轉，你可能看到偏振片一會兒透光，一會兒不透光；或者是透過偏振片光的顏色發(fā)生詭異的變化。目前大多數(shù)屏幕的制造工藝決定，它們發(fā)出的光大多都是偏振光。
大多數(shù)手機、電腦屏幕發(fā)出的光都是偏振光
天文中很多現(xiàn)象都會產(chǎn)生偏振光。對于黑洞吸積盤，它在射電波段產(chǎn)生輻射主要來自以相對論性速度運動的電子在磁場中運動發(fā)出的光，被稱為同步加速輻射。這種輻射具有明顯的偏振特征，同時也包含黑洞周邊的磁場信息。天文學家從2019公布黑洞照片后就一直在處理偏振圖像數(shù)據(jù)。起初，它們以為黑洞周圍只有1%~3%的光是偏振的。隨著數(shù)據(jù)處理的進行，科學家發(fā)現(xiàn)其實10%~20%的光偏振的。因為初步處理對所有數(shù)據(jù)進行平均時，不同方向的偏振會互相抵消，分辨率較高是EHT能觀測到黑洞偏振圖像的重要原因之一。而天文學家這次拍攝到的黑洞偏振圖像，用動畫可以這樣展示。
黑洞偏振圖像動畫 圖片來源：Iván Martí, Universitat de València, and the EHT Collaboration
頭圖黑洞偏振照片圖左下角條紋明顯而右上角沒那么明顯，是因為右下角部分圖片偏振度更高，左上部分偏振不明顯。在動畫中也可以看出，隨著偏振方向的改變，黑洞右下改變比左上方明顯得多。頭圖照片中的“毛”并不意味著我們能將黑洞吸積盤上每一處都看得清清楚楚，這種“毛”只是一種為了美觀，表示偏振方向的可視化手法。可以說，這些“毛”都是“P”上去的，并非直接拍到的圖像。如果用類似的方式處理我們?nèi)粘Ｉ钪心芙佑|到的偏振光，會是這個樣子的。
素材來源：EHT Collaboration
黑洞未解之謎
對黑洞周圍的偏振測量具有重要的科學意義，我們能得到黑洞周圍更詳細的參數(shù)，例如黑洞周圍平均每立方厘米104～107的粒子密度（地表為每立方厘米1019量級）。如果這不能讓你感受到黑洞的強大力量，那吸積盤上等離子體中100億～1200億開爾文的電子溫度一定能符合你對黑洞的期待。
當然，黑洞偏振照片也可以幫我們解決很多關于黑洞的未解之謎。EHT偏振測量工作組協(xié)調員兼荷蘭拉德布德大學助理教授莫妮卡·莫希西布羅茲卡（Monika Mo?cibrodzka）說：“對于了解黑洞周圍的磁場是如何作用的，以及在這個緊湊空間中如何誕生噴發(fā)到遙遠宇宙空間的強大噴流，我們現(xiàn)在已經(jīng)掌握了關鍵性證據(jù)?！?/p>
除了2019年公布的黑洞照片，M87*還有一張著名的照片，是由哈勃拍攝的它的極端相對論性噴流。不少靠近黑洞的物質都會被它吸入，但也有一部分在這個過程中，被加速到極端相對論性速度，最終形成了這個在宇宙中綿延了5000光年的噴流。
M87*綿延了5000光年的噴流 圖片來源：NASA and The Hubble Heritage Team
要了解黑洞是如何產(chǎn)生這樣的相對論性噴流，通過偏振照片測到的黑洞周邊1～30高斯的磁場（1特斯拉=10000高斯）就是破局的關鍵之一。在定量比較了從廣義相對論磁流體動力學（general relativistic magnetohydrodynamic，GRMHD）模擬的大量模擬極化圖像的基礎上，天文學家確定了一系列物理模型，可以同時滿足黑洞圖像的偏振特征和對相對論性噴流的功率需求。
另外，偏振觀測還提供了黑洞外磁場結構的新信息。研究小組發(fā)現(xiàn)，只有具有強磁化氣體的模型才能解釋他們在事件視界上看到的內(nèi)容?！坝^測表明，黑洞邊緣的磁場足夠強，可以抵抗引力的吸引。只有穿過磁場的氣體才能螺旋著進入事件視界。”美國科羅拉多大學博爾德分校助理教授、EHT理論工作組協(xié)調員杰森·德克斯特（Jason Dexter）解釋道。
不過即使是進入黑洞的過程受到了阻礙，根據(jù)偏振圖像建立的模型表示，M87*每萬年都還能吸收3～20個太陽質量的天體，大致相當于每年能吸入66～1000個地球質量。
德克斯特說：“這是一個非常令人興奮的結果，能讓我們了解更多關于這個黑洞的信息，以及M87中黑洞背后的物理特征。而這只是開始。”未來，將有更多的望遠鏡加入EHT，提升的網(wǎng)絡連接質量也將加速數(shù)據(jù)處理進程。EHT對黑洞的探索已經(jīng)翻開了精彩的一頁，但這絕對不會是他們的終點。
參考鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe71d
https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole
https://www.scientificamerican.com/article/magnetic-field-around-a-black-hole-mapped-for-the-first-time/
https://en.wikipedia.org/wiki/Messier_87
