EHT團隊再次公布黑洞照片 偏振方向與黑洞陰影周圍磁場有關(guān)

一位英國自然哲學(xué)家、牧師 John Michell 在寫給物理學(xué)家卡文迪什(Henry Cavendish)的一封信中，首先提出可能存在一種暗天體(dark body)或暗星(dark star)，其密度極大，擁有連光都無法逃逸的巨大引力。

自 John Michell 第一個提出存在「暗天體」至今，人類對這一神秘天體的探索從未停止。幸運的是，生活在 21 世紀(jì)的我們雖難知其全貌，卻也看到了珍貴的黑洞照片。

2019 年 4 月，由全球 30 多個研究單位組成的事件視界望遠鏡(EHT)團隊公布了首張黑洞照片，這張照片來自 M87 星系黑洞。

隨后在 2020 年 4 月，天文學(xué)家們又公布了全球第二張黑洞照片，即一張 2017 年 4 月拍攝到的55 億光年外的類星體 3C 279 中央核心及其射流起源的圖片。

而關(guān)于黑洞研究的最新消息是：2021 年 3 月 24 日，EHT 團隊再次公布了一張黑洞照片——這是 2019 年 4 月公布的 M87 星系黑洞照片在偏振光下的影像。

有人說，人類史上第一張黑洞照片如今更加清晰了，實際上照片中的線條標(biāo)記了偏振方向，與黑洞陰影周圍的磁場有關(guān)。

用科學(xué)家們的話說就是：

EHT 團隊為揭示這個超大質(zhì)量黑洞提供了一個嶄新的視角。

何為黑洞?

了解 EHT 團隊的研究前，先來了解一下黑洞。

大約在 John Michell 信中提到存在「暗天體」的 132 年后，一位你我都不陌生的物理學(xué)大牛再次預(yù)言了其存在。

1915 年，愛因斯坦(Albert Einstein)完成了廣義相對論的基礎(chǔ)，并于次年正式發(fā)表。

Albert Einstein 的廣義相對論預(yù)言，在宇宙空間中存在一種天體，是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。這種天體密度極大、體積極小，引力也極其強大，強到連光線都被吸引，無法逃逸。

不久后，德國物理學(xué)家 Karl Schwarzschild 為這一預(yù)言做了精確解。

Karl Schwarzschild通過計算得到了愛因斯坦場方程的一個真空解，這個解表明，如果一個靜態(tài)球?qū)ΨQ星體的實際半徑小于一個定值(這里指著名的史瓦西半徑)，周圍就會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象：一旦進入一個被稱為“視界”的界面，即便是光也無法逃脫(這里指事件視界，即一種時空的界線。事件視界中，引力巨大，黑洞附近的逃逸速度大于光速，任何光線皆不可能逃脫;事件視界外，物體則不會受到黑洞影響)。

直至 1969 年，美國天體物理學(xué)家John Archibald Wheeler 首次提出了“黑洞”的概念。

此后，黑洞的定義則是：

時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體。

探索黑洞，何其不易

不論預(yù)言也好，計算也罷，都無法真正感知黑洞的存在，更不必談進一步探索。

但值得一提的是，1964 年，美國探空火箭發(fā)現(xiàn)了一個位于位于天鵝座方向的雙星系統(tǒng)「天鵝座 X-1」。

天鵝座 X-1 作為一個 X 射線雙星系統(tǒng)，包含著一個能產(chǎn)生 X 射線源的致密星和一顆藍巨星。

當(dāng)時，英國理論物理學(xué)家 Stephen Hawking 和美國理論物理學(xué)家 Kip Stephen Thorne 曾拿天鵝座 X-1 打賭。Stephen Hawking賭天鵝座 X-1 并非是黑洞，但隨后越來越多的觀測證據(jù)擺在眼前，Stephen Hawking 也在 1990 年承認(rèn)天鵝座 X-1就是黑洞，也是人類在實際探索中發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞。

通過這個例子不難看出，人類對黑洞的探索相當(dāng)艱難，很大一部分原因在于黑洞無法直接被觀測到，科學(xué)家只能間接得知其存在、質(zhì)量大小及對其他事物的影響。

具體而言，物體被黑洞吸入之前，其引力帶來的加速度會導(dǎo)致摩擦，進而釋放出一些訊息，而這就是科學(xué)家判斷黑洞存在的關(guān)鍵證據(jù)(注：借由間接觀測恒星或星際云氣團繞行的軌跡，也能尋到一些蛛絲馬跡)。

黑洞對于很多人而言，或許就像諾蘭的電影，不要試著去理解，感受就好(手動狗頭)。

為進一步了解黑洞，科學(xué)家們用到了一個工具——一種名為「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope,EHT)的由 8 個射電望遠鏡(射電望遠鏡是指觀測、研究來自天體的射電波的基本設(shè)備)形成的網(wǎng)絡(luò)，它主要嘗試觀測的是事件視界。

2006 年，來自全球 30 多個研究所的科學(xué)家們聯(lián)合起來，發(fā)起了給黑洞拍照的計劃。

我們此前曾報道，這一計劃之下，分布在各地的 8 個射電望遠鏡聯(lián)合觀測同一目標(biāo)源、記錄數(shù)據(jù)，從而形成一個口徑等效于地球直徑的虛擬望遠鏡，將望遠鏡的角分辨率提升至足以觀測事件視界尺度結(jié)構(gòu)的程度。

就 EHT 的分辨能力，中國科學(xué)院有一個生動的比喻：相當(dāng)于在地球上看清月面上一張信用卡所需的分辨率。

2017 年 4 月，黑洞照片的拍攝工作完成，科學(xué)家們開始了數(shù)據(jù)處理過程。

終于，美國東部時間 2019 年 4 月 10 日 9 時，美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同時召開新聞發(fā)布會，公開了人類獲得的第一張黑洞照片。照片顯示了一個明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)中央的黑色區(qū)域正是黑洞的陰影。

為此，EHT 團隊于 2019 年 9 月獲得了科學(xué)突破獎基礎(chǔ)物理獎。

首張黑洞偏振圖像發(fā)布

距離第一張黑洞照片公布，已過去近兩年。

當(dāng)?shù)貢r間 2021 年 3 月 24 日，3 篇來自 EHT 團隊的論文發(fā)表于《天體物理雜志快報》，論文合著者均多達數(shù)百位。

論文主要涉及黑洞邊緣的偏振特性，與有組織的極向磁場有關(guān)。

對此，中國科學(xué)院表示：

這是天文學(xué)家第一次在如此接近黑洞邊緣處測得表征磁場特征的偏振信息，該結(jié)果對解釋距離地球 5500 萬光年的 M87 星系如何從其核心向外傳播能量巨大的噴流具有關(guān)鍵意義。

其研究對象 M87 星系黑洞，是位于 M87 星系(即處女座)的一個巨大黑洞，其質(zhì)量約有 30-60 億個太陽的質(zhì)量，與太陽系距離約 5000 萬光年——當(dāng)前，科學(xué)家們選定的主要觀測目標(biāo)便是 M87 星系黑洞和位于銀河系中心的 SgrA*(即人馬座 A*)黑洞。

EHT 團隊通過深入研究 M87 星系黑洞的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：M87 黑洞周圍的相當(dāng)一部分光是偏振的。

偏振(polarization)又稱極化，指的是橫波振動矢量(即垂直于波的傳播方向)偏于某些方向的一種現(xiàn)象。這種振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性，是橫波區(qū)別于其他縱波的一個最明顯標(biāo)志。

據(jù)上海天文臺介紹：

在射電天文領(lǐng)域，我們接收到的大部分天體信號是偏振光。不過，由于偏振特征會由于疊加效應(yīng)被削弱，且在黑洞附近的致密區(qū)域里，光深通常也會影響偏振程度。

上海天文臺認(rèn)為，EHT 能夠拍攝到 M87黑洞陰影周圍的高分辨率偏振圖像，主要原因在于：

EHT 的分辨本領(lǐng)高，能夠分解開致密區(qū)域;

觀測波段在短毫米波段，從而大大削弱了偏振程度所受到的影響。

EHT 團隊成員、上海天文臺副研究員江悟表示：

常規(guī) VLBI(甚長基線干涉技術(shù))偏振測量存在困難，EHT 得到這個偏振圖像更充滿了挑戰(zhàn)。所以在首張黑洞圖像出爐后，偏振圖像的面世花費了近兩年。

無疑，這一科研成果再一次加深了人類對黑洞的認(rèn)知。

關(guān)鍵詞： EHT 團隊 黑洞