繼2019年4月全球首張黑洞照片發(fā)布后，黑洞又迎來新進(jìn)展。
3月24日22：00，曾經(jīng)成功捕獲人類有史以來首張黑洞照片的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織，又為揭示M87超大質(zhì)量黑洞提供了一個(gè)嶄新視角：它在偏振光下的影像。
來自全球多個(gè)組織和大學(xué)的300多名研究人員參與了這項(xiàng)研究。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)牽頭組織協(xié)調(diào)包括8位臺(tái)內(nèi)研究人員在內(nèi)的國(guó)內(nèi)學(xué)者參與了此次的EHT合作。
新進(jìn)展意義為何？
這是天文學(xué)家第一次在如此接近黑洞邊緣處測(cè)得表征磁場(chǎng)特征的偏振信息。這一結(jié)果對(duì)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至為關(guān)鍵，而且對(duì)于推斷吸積盤的模型有所幫助。
EHT偏振測(cè)量工作組協(xié)調(diào)員、荷蘭拉德布德大學(xué)助理教授莫妮卡·莫西西布羅茲卡（Monika Mo cibrodzka）說：“我們現(xiàn)在看到了下一個(gè)關(guān)鍵證據(jù)，用以解釋黑洞周圍磁場(chǎng)的行為以及在這個(gè)非常致密空間中的物理過程是如何驅(qū)動(dòng)尺度遠(yuǎn)超星系本身的強(qiáng)大噴流。”
2019年4月10日，科學(xué)家們發(fā)布了有史以來第一張黑洞圖像，揭示了一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其黑暗的中央?yún)^(qū)域——黑洞的陰影。此后，EHT合作組織深入研究了2017年收集到的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，M87黑洞周圍的相當(dāng)一部分光是偏振的。
所謂偏振（也稱極化），是電磁波的一種屬性，指電磁波在與其傳播方向垂直的平面內(nèi)沿著某一特定方向振蕩的性質(zhì)。光就是一種電磁波，由耦合振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成，而電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振蕩方向總是互相垂直的，因此光的偏振信號(hào)攜帶著光線發(fā)出位置的電磁場(chǎng)信息。
當(dāng)光線通過某些濾光片（如偏光太陽眼鏡的鏡片），或從被磁化的高溫區(qū)域發(fā)出來時(shí)，光就會(huì)發(fā)生偏振。就像偏光太陽眼鏡能減少來自明亮表面的反射和眩光從而幫助我們看得更清楚一樣，天文學(xué)家可以通過觀察來自黑洞邊緣的光的偏振特性來銳化他們的視野。具體而言，偏振測(cè)量可以讓天文學(xué)家繪制存在于黑洞邊緣的磁力線。
美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校助理教授、EHT理論工作組協(xié)調(diào)員杰森·德克斯特（Jason Dexter）解釋說：“觀測(cè)結(jié)果表明，黑洞邊緣的磁場(chǎng)非常強(qiáng)，其作用力足以使得高溫氣體能夠抵御引力的拉扯。只有溜過磁場(chǎng)的氣體才能以旋進(jìn)的方式進(jìn)入到事件視界。”
繪制難度為何大？
從M87的核心噴射出來的明亮的能量和物質(zhì)噴流，向外延伸了至少5000光年，是該星系最神秘、最壯觀的特征之一。大部分靠近黑洞邊緣的物質(zhì)都會(huì)落入其中。然而，周圍也有一些粒子會(huì)在被捕獲前的瞬間逃逸并以噴流的形式向外傳播。
為了更好地理解這一過程，天文學(xué)家構(gòu)建了不同的關(guān)于黑洞邊緣物質(zhì)行為的模型。但他們?nèi)匀徊磺宄刃窍党叨冗€要大的噴流究竟是如何從星系中心（這一通常只有太陽系般大小）區(qū)域發(fā)射出來的，也不知道物質(zhì)究竟是如何落入黑洞的。這個(gè)新的EHT黑洞偏振圖像，使天文學(xué)家首次成功探究黑洞外緣區(qū)域的物理過程，在那里物質(zhì)可能被吸入或被噴射出來。
EHT偏振測(cè)量工作組協(xié)調(diào)員、西班牙瓦倫西亞大學(xué)GenT杰出研究員伊萬·馬蒂·維達(dá)爾（Iván Martí-Vidal）解釋說：“這項(xiàng)工作是一個(gè)重要的里程碑：偏振光所攜帶的信息能讓我們更好地理解在2019年4月發(fā)布的黑洞圖像背后的物理，這在以前是不可能的。”他補(bǔ)充說，“由于獲取和分析這些數(shù)據(jù)涉及到十分復(fù)雜的技術(shù)，科學(xué)家們?yōu)槔L制這一偏振圖像用了更多的時(shí)間。”
EHT合作成員、上海天文臺(tái)路如森研究員說，之所以拍攝黑洞偏振照片很難，主要有三個(gè)原因，首先是因?yàn)槠裉卣鞅旧砭捅容^弱。第二是因?yàn)槠褫椛湓诿總€(gè)小尺度局部區(qū)域都是不同的，但若是沒有足夠的分辨本領(lǐng)探測(cè)這些區(qū)域內(nèi)偏振輻射的話，觀測(cè)到的偏振特征就會(huì)由于不同區(qū)域的疊加效應(yīng)而被削弱。
“最后，由于光在從發(fā)出到遠(yuǎn)離黑洞的過程中，穿過了黑洞周圍的熱氣體。在這一過程中存在法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，即指在磁化介質(zhì)中偏振的方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，會(huì)削弱偏振特征。”路如森告訴第一財(cái)經(jīng)。
EHT合作成員、上海天文臺(tái)江悟副研究員對(duì)第一財(cái)經(jīng)補(bǔ)充道：“常規(guī)甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）偏振測(cè)量就很困難，EHT因比常規(guī)VLBI觀測(cè)頻率更高，得到這個(gè)偏振圖像更是充滿挑戰(zhàn)。”這也可以理解為什么在首張黑洞圖像出爐后，偏振圖像的面世又花費(fèi)了近兩年的時(shí)間。
為了觀測(cè)M87星系的中心，這項(xiàng)合作將世界各地的八臺(tái)望遠(yuǎn)鏡連接起來，創(chuàng)建了一個(gè)虛擬的類似地球大小的望遠(yuǎn)鏡——EHT。EHT的分辨本領(lǐng)相當(dāng)于在地球上看清月面一張信用卡所需的分辨率。這使研究團(tuán)隊(duì)能夠直接觀察到黑洞的陰影以及環(huán)繞的光環(huán)，新的偏振圖像清楚地顯示出該光環(huán)是磁化的。
