2019年事件视界望远镜（EHT）公布了人类历史上第一张黑洞照片——M87星系中心的黑洞照片。就在昨晚，经过多年的数据处理，EHT公布了黑洞偏振照片。但实际上，这次公布的黑洞偏振照片是被“P”过的，人类并不能分辨黑洞吸积盘上这么精细的结构。不过对天文学家而言，这依然意味着人类首次触碰到了黑洞视界上的极端磁场，为探索极端相对论性喷流的来源提供了可靠的证据。
偏振光下M87超大质量黑洞的图像，图中线条标记了偏振的方向（图片来源：EHT collaboration）
撰文｜王昱
审校｜吴非
黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的产物，但在2019年之前，即使我们能用引力波“听”到黑洞，也没有机会用电磁波“看”到黑洞。这是因为黑洞太远、太小了。即使梅西耶87（即M87）中心的黑洞是拥有数十亿倍太阳质量的星际巨兽，它的事件视界在天空上的投影只有几个微角秒，就算加上外围的吸积盘也不过几十个微角秒。要知道，1度的张角对应着3.6亿个微角秒，没有任何单体望远镜能分辨这么精细的角度。因此，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）应运而生。EHT将世界各地的射电望远镜联合起来，提升分辨率拍摄黑洞照片。
2017年4月，靠近西半球的十几个望远镜将观测方向共同指向了M87*（M87中心黑洞）。经过两年的数据处理，天文学家终于得到了人类历史上首张黑洞照片。但物理学家不满足于此，为了探寻黑洞周边极端的磁场，黑洞偏振信息也是必不可少的。再经过两年的数据处理，人类终于迎来了首张黑洞偏振照片。
论文中公布的黑洞偏振照片 图片来源：ApJL, 910:L13 (43pp)
看到这幅图可能会让你有些奇怪，论文中公布的黑洞偏振照片和广泛流传的黑洞偏振照片并不一致，而且它也不如那个充满细密条纹的漩涡状黑洞偏振照片有趣。实际上，这次的黑洞偏振照片依然很“糊”。EHT中的望远镜使用220GHz的电磁波进行观测，即使其等效口径达到了地球直径的量级，依然也只有20微角秒的分辨率，不足以拍出头图中那么细致的结构。（头图则是偏振照片经过艺术处理的结果）按照人类当前的技术路线，在将地球上和太空中的射电望远镜组成干涉阵列之前，人类拍摄到的黑洞照片已经不可能更清晰了。
黑洞偏振照片
那么，这张照片究竟反映了哪些信息呢？我们都知道光是一种电磁波，而电磁波又是横波，即振动方向和波传播方向垂直的波。而偏振就是横波的一种状态，表示横波中的振动方向都只朝向一个方向。大多数手机、电脑屏幕发出的光都是偏振光。拿一个偏振片在屏幕前旋转，你可能看到偏振片一会儿透光，一会儿不透光；或者是透过偏振片光的颜色发生诡异的变化。目前大多数屏幕的制造工艺决定，它们发出的光大多都是偏振光。
大多数手机、电脑屏幕发出的光都是偏振光
天文中很多现象都会产生偏振光。对于黑洞吸积盘，它在射电波段产生辐射主要来自以相对论性速度运动的电子在磁场中运动发出的光，被称为同步加速辐射。这种辐射具有明显的偏振特征，同时也包含黑洞周边的磁场信息。天文学家从2019公布黑洞照片后就一直在处理偏振图像数据。起初，它们以为黑洞周围只有1%~3%的光是偏振的。随着数据处理的进行，科学家发现其实10%~20%的光偏振的。因为初步处理对所有数据进行平均时，不同方向的偏振会互相抵消，分辨率较高是EHT能观测到黑洞偏振图像的重要原因之一。而天文学家这次拍摄到的黑洞偏振图像，用动画可以这样展示。
黑洞偏振图像动画 图片来源：Iván Martí, Universitat de València, and the EHT Collaboration
头图黑洞偏振照片图左下角条纹明显而右上角没那么明显，是因为右下角部分图片偏振度更高，左上部分偏振不明显。在动画中也可以看出，随着偏振方向的改变，黑洞右下改变比左上方明显得多。头图照片中的“毛”并不意味着我们能将黑洞吸积盘上每一处都看得清清楚楚，这种“毛”只是一种为了美观，表示偏振方向的可视化手法。可以说，这些“毛”都是“P”上去的，并非直接拍到的图像。如果用类似的方式处理我们日常生活中能接触到的偏振光，会是这个样子的。
素材来源：EHT Collaboration
黑洞未解之谜
对黑洞周围的偏振测量具有重要的科学意义，我们能得到黑洞周围更详细的参数，例如黑洞周围平均每立方厘米10^4～10^7的粒子密度（地表为每立方厘米10^19量级）。如果这不能让你感受到黑洞的强大力量，那吸积盘上等离子体中100亿～1200亿开尔文的电子温度一定能符合你对黑洞的期待。
当然，黑洞偏振照片也可以帮我们解决很多关于黑洞的未解之谜。EHT偏振测量工作组协调员兼荷兰拉德布德大学助理教授莫妮卡·莫希西布罗兹卡（Monika Mościbrodzka）说：“对于了解黑洞周围的磁场是如何作用的，以及在这个紧凑空间中如何诞生喷发到遥远宇宙空间的强大喷流，我们现在已经掌握了关键性证据。”
除了2019年公布的黑洞照片，M87*还有一张著名的照片，是由哈勃拍摄的它的极端相对论性喷流。不少靠近黑洞的物质都会被它吸入，但也有一部分在这个过程中，被加速到极端相对论性速度，最终形成了这个在宇宙中绵延了5000光年的喷流。
M87*绵延了5000光年的喷流 图片来源：NASA and The Hubble Heritage Team
要了解黑洞是如何产生这样的相对论性喷流，通过偏振照片测到的黑洞周边1～30高斯的磁场（1特斯拉=10000高斯）就是破局的关键之一。在定量比较了从广义相对论磁流体动力学（general relativistic magnetohydrodynamic，GRMHD）模拟的大量模拟极化图像的基础上，天文学家确定了一系列物理模型，可以同时满足黑洞图像的偏振特征和对相对论性喷流的功率需求。
另外，偏振观测还提供了黑洞外磁场结构的新信息。研究小组发现，只有具有强磁化气体的模型才能解释他们在事件视界上看到的内容。“观测表明，黑洞边缘的磁场足够强，可以抵抗引力的吸引。只有穿过磁场的气体才能螺旋着进入事件视界。”美国科罗拉多大学博尔德分校助理教授、EHT理论工作组协调员杰森·德克斯特（Jason Dexter）解释道。
不过即使是进入黑洞的过程受到了阻碍，根据偏振图像建立的模型表示，M87*每万年都还能吸收3～20个太阳质量的天体，大致相当于每年能吸入66～1000个地球质量。
德克斯特说：“这是一个非常令人兴奋的结果，能让我们了解更多关于这个黑洞的信息，以及M87中黑洞背后的物理特征。而这只是开始。”未来，将有更多的望远镜加入EHT，提升的网络连接质量也将加速数据处理进程。EHT对黑洞的探索已经翻开了精彩的一页，但这绝对不会是他们的终点。
参考链接：
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
转自微信公众号：环球科学（huanqiukexue）
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