今天，曾經成功捕獲人類有史以來首張黑洞照片的事件視界望遠鏡（EHT）合作組織，又為揭示M87超大質量黑洞提供了一個嶄新視角：它在偏振光下的影像。這是天文學家第一次在如此接近黑洞邊緣處測得表徵磁場特徵的偏振資訊。這一結果對解釋距離我們地球5500萬光年的M87星系如何從其覈心向外傳播能量巨大的噴流至為關鍵。
圖1：偏振光下M87超大質量黑洞的影像。事件視界望遠鏡（EHT）在梅西耶87（M87）星系中心捕獲了有史以來的第一張黑洞影像。今天，該望遠鏡為揭示這個超大質量黑洞提供了一個嶄新視角：它在偏振光下的影像。這是天文學家第一次在如此接近黑洞邊緣處測得表徵磁場特徵的偏振資訊。這張圖片顯示的是M87黑洞的偏振影像。其中的線條標記偏振的方向，它與黑洞陰影周圍的磁場有關。圖片版權：EHT合作組織。
EHT偏振量測工作組協調員、荷蘭拉德布德大學助理教授Monika Moscibrodzka說：“我們現在看到了下一個關鍵證據，用以解釋黑洞周圍磁場的行為以及在這個非常緻密空間中的物理過程是如何驅動尺度遠超星系本身的强大噴流。”
2019年4月10日，科學家們發佈了有史以來第一張黑洞影像，揭示了一個明亮的環狀結構及其黑暗的中央區域——黑洞的陰影。此後，EHT合作組織深入研究了2017年收集到的M87星系中心超大質量黑洞的數據。他們發現，M87黑洞周圍的相當一部分光是偏振的。
同為EHT偏振量測工作組協調員、西班牙瓦倫西亞大學GenT傑出研究員Iván Martí-Vidal解釋說：“這項工作是一個重要的里程碑：偏振光所攜帶的資訊能讓我們更好地理解在2019年4月發佈的黑洞影像背後的物理，這在以前是不可能的。”他補充說，“由於獲取和分析這些數據涉及到十分複雜的科技，科學家們為繪製這一偏振影像用了更多的時間。”
當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域發出來時，光就會發生偏振。就像偏光太陽眼鏡能减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，偏振量測可以讓天文學家繪製存在於黑洞邊緣的磁力線。
EHT合作成員、美國普林斯頓理論科學中心和普林斯頓引力計畫的NASA哈勃研究員Andrew Chael說：“這次最新公佈的偏振影像是理解磁場如何讓黑洞“吞噬”物質並發出能量巨大的噴流的關鍵。”
從M87的覈心噴射出來的明亮的能量和物質噴流，向外延伸了至少5000光年，是該星系最神秘、最壯觀的特徵之一。大部分靠近黑洞邊緣的物質都會落入其中。然而，周圍也有一些粒子會在被捕獲前的瞬間逃逸並以噴流的形式向外傳播。
為了更好地理解這一過程，天文學家構建了不同的關於黑洞邊緣物質行為的模型。但他們仍然不清楚比星系尺度還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）區域發射出來的，也不知道物質究竟是如何落入黑洞的。這個新的黑洞及其陰影的EHT偏振影像，使天文學家首次成功探究黑洞外緣區域，在那裡物質可能被吸入或被噴射出來。
觀測結果提供了新的有關黑洞外緣磁場結構的資訊。研究團隊發現，只有以强磁化氣體為特徵的理論模型才能解釋在事件視界看到的情况。
美國科羅拉多大學博爾德分校助理教授、EHT理論工作組協調員Jason Dexter解釋說：“觀測結果表明，黑洞邊緣的磁場非常强，其作用力足以使得高溫氣體能够抵禦引力的拉扯。只有溜過磁場的氣體才能以旋進的管道進入到事件視界。”
為了觀測M87星系的中心，這項合作將世界各地的八臺望遠鏡連接起來，創建了一個虛擬的類似地球大小的望遠鏡——EHT。EHT的分辨本領相當於在地球上看清月面一張信用卡所需的分辯率。這使研究團隊能够直接觀察到黑洞的陰影以及環繞的光環，新的偏振影像清楚地顯示出該光環是磁化的。今天，EHT合作的兩篇論文正式發表在《天體物理學雜志通訊》。
EHT合作成員、上海天文臺路如森研究員說：“黑洞的偏振成像結果十分令人興奮，因為這對理解黑洞周圍的磁場及物理過程至為關鍵。”EHT合作成員、上海天文臺江悟副研究員補充道：“常規VLBI偏振量測就很困難，EHT得到這個偏振影像更是充滿挑戰。”這也可以理解為什麼在首張黑洞影像出爐後，偏振影像的問世又花費了近兩年的時間。
來自全球多個組織和大學的300多名研究人員參與了這項研究。中國科學院上海天文臺牽頭組織協調包括8比特臺內研究人員在內的國內學者參與了此次的EHT合作。
EHT合作成員、臺北中研院天文與天體物理研究所東亞覈心天文臺聯盟研究員Jongho Park總結道：“通過對陣列進行科技陞級和新增新的觀測台站，EHT還在迅速發展中。我們期待未來的EHT觀測能更準確地揭示黑洞周圍的磁場結構，並告訴我們更多關於這一區域熱氣體的物理性質。”
更多相關資訊
天文學家捕獲首張黑洞照片：
http://www.shao.cas.cn/2020Ver/xwdt/ttxw/201904/t20190410_5587513.html
更多詳情參見EHT官方網站：
https://eventhorizontelescope.org
科學連絡人：
路如森，中國科學院上海天文臺，rslu@shao.ac.cn
沈志强，中國科學院上海天文臺，zshen@shao.ac.cn
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