作者：劉冰一
編輯：維克多
2019年4月份，國際組織事件視界望遠鏡（EHT）發(fā)布了人類首張黑洞照片。時隔兩載，EHT組織宣布獲得了黑洞的最新照片。
圖注：左為第一張，右為更新版
與第一張圖片相比，這張新的黑洞靚照包含了更多的信息：環(huán)有條紋，是光線強偏振的證明。雖然從感官直覺上，這兩張圖片相差無幾，但從科學的角度來審視，最新的圖片為人類提供了一個認識黑洞的全新視角。
據(jù)事件視界望遠鏡（EHT）合作組織，這是天文學家第一次在接近黑洞邊緣處測得表征磁場特征的偏振信息。
對此，專家解讀：偏振圖像是理解磁場如何讓黑洞“吞噬”物質(zhì)，并發(fā)出能量巨大的噴流的關鍵。
換句話說，這張圖片對人類了解黑洞的形成現(xiàn)狀，以及對其引發(fā)的宇宙現(xiàn)象的研究，都有著極高的科研價值。
據(jù)悉，這是人類史上獲得的第三張黑洞圖片，也是更加清晰、包含內(nèi)容更豐富的一張。
人類史上有三張黑洞圖片
黑洞的第一張圖片，是來自人類科學家對大約5500萬光年外的M87星系中央洞的首批探測結(jié)果。
為了獲得這張圖片，科學家們調(diào)動了全球從兩極到赤道共8個天文臺的力量進行圖片數(shù)據(jù)拍攝，之后，又有來自全球的62家科研機構(gòu)共同參與了照片的合成。整個項目耗時近三年，可以說是傾“全人類之力”完成的一件壯舉。
觀測黑洞的利器是一個虛擬的類似地球大小的望遠鏡——EHT，它是由世界各地的8臺望遠鏡連接起來而組成的。
其能夠讓人類具備站在地球上準確尋找月球上的一枚硬幣的能力。也讓研究團隊能夠直接觀察到黑洞的陰影以及環(huán)繞的光環(huán)。
值得一提的是，上述 8 個射電望遠鏡不全是單一的望遠鏡，其中包括望遠鏡陣列，比如位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣由 70 多個小望遠鏡構(gòu)成。
一年之隔，天文學家們又公布了全球第二張黑洞照片——2017年4月拍攝到的 55 億光年外的類星體 3C 279 中央核心及其噴射流起源的圖片。
2021年3月24日，事件視界望遠鏡（EHT）最新黑洞照片公布，在接近黑洞邊緣處測得了表征磁場特征的偏振信息。M87黑洞周圍的偏振光條紋揭示了強大的磁場在起作用---表征磁場特征的偏振信息。
EHT公布的三張照片都顯示了 M87星系中心的超重黑洞星云周圍有發(fā)光的等離子體，該星云的巨大噴射流氤氳在黑洞的輪廓。與之前照片不同，新圖像中的環(huán)有條紋，是光線是強偏振的證明。
專家們說，這些發(fā)亮的螺旋形條紋是由M87黑洞周圍強而有序的磁場造成的，它作為重要的證據(jù)支持了一個流行了44年的噴流理論：Blandford–Znajek (BZ)過程（從旋轉(zhuǎn)黑洞的吸積盤和強大極向磁場中提取能量的過程）。此理論由劍橋大學物理學家 Roger Blandford 和 Roman Znajek在1977年提出，其中提取的能量被認為是天體物理負載的能量來源。）
值得一提的是，這些空間和時間漩渦中蘊含的能量是不可思議的。其中，M87黑洞中心以超過10億倍太陽質(zhì)量的等效能量將時空旋轉(zhuǎn)起來，這種能量可以將整個星系撕裂。而宇宙中存在多個此類“沉睡的超級火山”。
“M87中的黑洞大小與太陽系相當，但它產(chǎn)生了一個5000光年長的白熱等離子體流，每秒約有3萬億兆焦耳的能量噴流，比全人類在十年內(nèi)消耗的能量多500萬億倍?！?/font>
偏振圖像是理解磁場如何讓黑洞“吞噬”物質(zhì)，并發(fā)出能量巨大的噴流的關鍵。當時，“Blandford-Znajek過程”只是一種推測，但是新的觀察結(jié)果證實了推測的合理性。“我們在圖像中看到的是螺旋形的有序極化,”參與分析偏振測量的 Issaoun 說?！岸掖艌龅男螤钜彩锹菪蔚?.. ... 這意味著它能夠發(fā)射一個噴流?！?/font>
圖注：從 M87 中心發(fā)出的噴流。黃色的線表示噴流中存在的磁場。
此外，新的觀測結(jié)果指向了“Blandford-Znajek 過程”的的兩種情況之一（MAD和SANE），得益于計算機模擬技術，MAD和SANE理論已得到持續(xù)驗證發(fā)展。這些相互矛盾的觀點對黑洞的環(huán)境，特別是其磁場的起源和強度，描繪了截然相反的景象。
長期以來，假定磁場較弱的SANE模型被認為是更合理的。但是事件視界望遠鏡的新照片中的強偏振光指向了強磁場，即MAD 版本中的事件?？屏_拉多大學理論天體物理學家 Alexander Chen 說：新圖像似乎更支持 MAD模型。
關于黑洞噴流以及它們在宇宙中的作用，還有更多的東西需要弄清楚。其中，MAD 留下了許多未解之謎，研究人員將帶著敬畏之心展開探索。
用理論尋找黑洞
1918年，Heber Curtis 觀測到噴射流。這也是M87噴流是有史以來第一次被發(fā)現(xiàn)。
“一束奇怪的直線光，從一片模糊的光斑中心發(fā)出。”
幾年后，Curtis 確認了這個星系超越了我們的銀河系，以及理論上存在黑洞的可能性。Blandford 和 Znajek 花了60年才將黑洞與噴流聯(lián)系起來。
20世紀70年代，史蒂芬 · 霍金和羅杰 · 彭羅斯在倫敦從事黑洞理論研究，最終他們贏得了2020年諾貝爾物理學獎。天文學家也開始認真對待黑洞，他們的觀察表明，X射線天鵝座 X-1就是這樣一個天體。
Blandford 和 Znajek 研究重點是令人費解的雙無線電源——位于遙遠星系兩側(cè)的球形星斑。他們是早期正確答案的皈依者：這些球狀星斑是宇宙中某一巨大黑洞向反方向噴流形成的。
天體物理學家最終證實，超大質(zhì)量黑洞是確實能夠錨定星系，但在當時，Blandford 和 Znajek 不僅在推測黑洞的存在，還在推測它們產(chǎn)生噴流的能力。
數(shù)學家 Roy Kerr 在1963年解出了一個旋轉(zhuǎn)黑洞的方程式，表明當黑洞無形中轉(zhuǎn)動時，會拖著時空結(jié)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)。Roger Penrose又繼續(xù)證明了旋轉(zhuǎn)的黑洞可以減速，并且在減速過程中，它們將旋轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)化為其他東西。
黑洞強大的引力會讓任何靠近它的物質(zhì)落入其中，形成像排水孔周圍一樣的漩渦，稱為吸積盤。在這個過程中，氣體因引力勢能得到釋放被加熱到幾百萬度，以至于其中的原子失去電子，從而產(chǎn)生了攜帶磁場的等離子體。
借助 Kerr 方程，Blandford 和Znajek 證明了當來自吸積盤的磁力線落到旋轉(zhuǎn)的黑洞上時，會將磁力線卷成一條沿著黑洞旋轉(zhuǎn)軸向一致的螺旋。運動中的磁場會產(chǎn)生電壓，電子和正電子的電流從黑洞兩側(cè)流出，這是是噴流。
1977年， Blandford 和 Znajek 的噴氣式飛機發(fā)射計劃似乎在紙面上是可行的。僅僅提出這種可能正在發(fā)生的情況，就是一種進步，雖然無人知曉這手否真的奏效。
計算機時代的黑洞發(fā)現(xiàn)
隨著80年代和90年代計算能力的提高，人們開始模擬 Blandford-Znajek 過程，但是其中涉及的每一項（轉(zhuǎn)動黑洞、磁場、吸積盤中的光和物質(zhì)）都是可變的，沒有人知道正確方法。
2000年左右，出現(xiàn)了兩種計算機模擬模式：一類是吸積盤主導的模型，另一類是磁場主導的模型。
起初，在80年代，研究人員在模擬中對吸積盤做了少量的磁化。在這些模型中（也就是后來的SANE模型）等離子體和一些波動的磁場線圍著黑洞旋轉(zhuǎn)，磁場的湍流導致粒子相互碰撞失去能量和角動量，使得它們掉進黑洞，而不僅僅是圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)。隨著等離子體的落入，它向黑洞輸送了微弱的磁場線，磁場線逐漸聚集，并被涌入的等離子體鎖定在固定了位置。最終，黑洞將這些糾纏的磁場線扭曲起來，發(fā)射出噴流。
然后，在20世紀90年代后期，哈佛大學的 Ramesh Narayan 等研究人員開始加大模擬黑洞周圍的磁場強度以觀察隨之出現(xiàn)的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，當磁場足夠強時，它會變得連貫而非紊亂，并且由它控制著吸積盤。磁場線在黑洞周圍形成了一個作為噴流套筒的力場，同時也防止等離子體落入黑洞。大多數(shù)情況下，吸積盤被鎖定在適當?shù)奈恢?。這些模擬被稱為“磁阻吸積盤”或 MAD 模型。
普林斯頓大學的物理學家、 EHT團隊的研究MAD模型的專家 Andrew Chael 說：長期以來，人們認為 SANE 模型更自然。從遠處向黑洞漂移的熱氣體“不是以連貫的方式落下的”，因此，沒有理由認為磁性向內(nèi)遷移會與氣體結(jié)合成一種強有序的東西。五年前幾乎所有人都在做SANE模擬。
但是，事件視界望遠鏡從 M87黑洞周圍拍攝的偏振光的新圖像堅定地指向了 MAD 方向。照片中的螺旋條傳達了這樣的信息: 當觀察角度不同，光的振動平面會旋轉(zhuǎn)，正如所預期的那樣，輻射光的粒子圍繞著磁場線旋轉(zhuǎn)，而磁場線本身就有一個連貫的螺旋圖案。
在SANE情況下，如果有微弱的湍流場，就會產(chǎn)生一個更弱的的極化模式?，F(xiàn)在的情況并非是弱極化模式，偏振光的磁場是強大的：有冰箱磁鐵的一半那么強，還有太陽系那么大?！?/font>
黑洞解釋的逆向推理
為了理解 M87黑洞(以及其他帶噴流的超大質(zhì)量黑洞)周圍奇怪的強磁場的起源 ，專家們必須首先破解條紋狀極化模式的密碼?，F(xiàn)在人們正試圖逆向推理。
與此同時，研究者也在集中 MAD 研究范圍。他們正在模擬黑洞周圍情況，以研究恒星如何遷移到中心磁場。
采用相反的方法，三位研究人員（Sasha Philippov, Beno?t Cerutti and Kyle Parfrey）正在研究噴射流中的帶電粒子。他們的詳細粒子級模擬需要耗費數(shù)百萬小時，研究這些粒子對于計算出噴流的整體結(jié)構(gòu)、以及它們對所穿透的星系和星系間空間的影響可能是必要的。
以 M87的噴流為例，我們在天空中看得非常清楚，它或打成結(jié)或連續(xù)，或筆直或輕薄。對此的研究肯定有助于我們理解它是如何與銀河系和星系間介質(zhì)相互作用，例如，它是如何向星系傳遞能量的。
