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▲EHT最新發布的M87超大質量黑洞偏振照片（來源：EHT合作組織）
北京時間3月24日22點，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織發布了M87超大質量黑洞的最新照片：它在偏振光下的影像。
如果說，兩年前發布的那張轟動世界的首張黑洞照片，看上去像一個溫暖的橙色甜甜圈，那麼這次的影像則顯示出了「甜甜圈」更為細膩的結構——如同一輪逆時針旋轉的煙花。
這些順滑流暢的曲線意義重大：這是天文學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資訊。這一結果對解釋M87星系如何從其核心向外傳播能量巨大的噴流至為關鍵，為揭示M87超大質量黑洞周邊性質提供了一個嶄新視角。
今天，EHT合作的兩篇論文正式發表在國際學術期刊《天體物理學雜誌通訊》上。由中科院上海天文臺科研人員領銜的國內團隊深度參與了該項研究。
八名上海天文學家深度參與
M87超大質量黑洞是目前已知的最大黑洞之一，距離地球5500萬光年，相當於65億個太陽質量。雖然號稱「超大質量」，但實際上這種黑洞是一類相當小的天體，以至於幾乎不能被直接看到。由於黑洞質量越大，黑洞陰影越大，M87中心黑洞從地球看過去是角直徑最大的黑洞之一，因此成為EHT試圖捕獲的一個完美目標。
2019年4月10日，由全球13個合作機構共同創建的EHT團隊發布了有史以來第一張黑洞照片，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。這是迄今為止最清晰的黑洞圖像。
▲從左到右，為M87星系、M87黑洞噴流、首張黑洞流量總強度照片、黑洞偏振照片（圖片截取自EHT合作組織等制作的科普視訊）
「這是一張M87黑洞的流量總強度圖。」中國科學院上海天文臺臺長沈志強說，EHT在2017年所獲得的這批圖像數據分辨率達到了20微角秒——這個精度意味著，你可以在紐約閱讀一份巴黎街頭攤開的報紙。天文學家顯然希望利用它們獲得黑洞的更多資訊。
此後，EHT合作組織深入研究了這批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。
2019年7月，EHT合作組織在德國馬普射電天文研究所召開了偏振校準工作會議。在此後約兩年時間裡，天文學家們開展了艱苦的工作，開發了多種數據處理方法，終於獲得了這幅最新發布的黑洞偏振圖像。參與此次EHT大型國際合作項目的科研人員多達300名，其中中國大陸學者共16人，有8人來自上海天文臺。
EHT合作成員、中科院上海天文臺副研究員江悟回憶，工作小組每周要開兩次電話會議，為了協調各國組員的工作時間，中國科學家往往需要在晚上十點到凌晨1點上線開會。最後，參與偏振校對的三個工作組分別用不同方式得到非常一致的偏振圖像，如此漂亮的結果，令所有人都興奮不已。
▲2019年召開的EHT偏振校準工作會議期間合影
「旋轉煙花」所蘊藏的奧秘
從最新發布的照片來看，原先模糊的「甜甜圈」顯現出了更加精細的結構——如同一輪火紅的旋轉煙花。
這些順滑的曲線是如何被看見的？簡言之，通過偏振測量。光是一種電磁波，當它通過某些濾光片（如偏光太陽眼鏡的鏡片），或從被磁化的高溫區域發出來時，就會觀測到偏振光。
▲就像通過濾光片觀察M87黑洞（圖片來源：EHT合作組織）
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，天文學家可以通過觀察來自黑洞邊緣的光的偏振特性，來得到新的資訊——偏振測量可以讓天文學家了解存在於黑洞邊緣的磁場結構。
「常規VLBI偏振測量就很困難，EHT得到這個偏振圖像更是充滿挑戰。」江悟解釋，由於黑洞邊緣輻射的偏振度不到10%，因此他們設計了多種方法，小心翼翼地清除設備和觀測過程中的各種效應，才得到了目前的結果。
這些曲線代表了什麼？沈志強認為，首先它透露了黑洞邊緣的光是如何產生的，「我們可以推斷出，黑洞周圍有相對論性的氣體，它們運動速度很快，相對論性電子在磁場裡會產生同步輻射」，現在觀測結果證明它就是來自同步輻射。
黑洞研究的又一個里程碑
對於研究黑洞的天文學家來說，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2019年4月發布的首張黑洞圖像背後的物理機制，這在以前是不可能的。
「黑洞的偏振成像結果，對理解黑洞周圍的磁場及物理過程至為關鍵。」EHT合作成員、上海天文臺研究員路如森解釋，過去由於觀測精度不夠，天文學家只能通過理論模型對其結構和強度進行猜測推導，如今則看到了關鍵證據。
從M87的核心噴射出來的明亮能量和物質噴流，向外延伸了至少5000光年，是該星系最神秘、最壯觀的特征之一。大部分靠近黑洞邊緣的物質都會落入其中，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。但他們仍不清楚，比星系尺度還要大的噴流究竟是如何從只有太陽系大小的星系中心區域發射出來的，也不知道物質究竟是如何落入黑洞的。
這幅全新的黑洞及其陰影的EHT偏振圖像，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。EHT合作成員、美國普林斯頓理論科學中心研究員安德魯·查爾說：「這次最新公布的偏振圖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。」
黑洞外緣磁場揭開神秘面紗
此次偏振觀測的結果還提供了有關黑洞外緣磁場結構的新資訊。研究團隊發現，只有以強磁化氣體為特征的理論模型，才能解釋在事件視界看到的情況。
美國科羅拉多大學博爾德分校助理教授、EHT理論工作組協調員傑森·德克斯特解釋說：「觀測結果表明，黑洞邊緣的磁場非常強，其作用力足以使得高溫氣體能夠抵抗引力的拉扯。只有溜過磁場的氣體才能以旋進的方式進入到事件視界。」
這一關鍵證據，可以解釋黑洞周圍磁場的行為，以及在這個非常致密空間中的物理過程是如何驅動尺度遠超星系本身的強大噴流的。
這項結果的公布，令同樣參與這項工作的上海天文臺副臺長袁峰研究員有些小小失落。原本，他的研究團隊通過理論推導也得出了類似結論，可惜論文發表卻比照片公布晚了一步。
▲EHT網路示意圖（來源：EHT網站）
由世界各地的八臺望遠鏡連接起來而創建的虛擬望遠鏡EHT，分辨本領相當於在地球上看清月面一張信用卡。「盡管已經能夠直接觀察到黑洞的陰影以及環繞的光環，但天文學家對其精度仍不滿足。」沈志強表示，根據現在偏振觀測結果，黑洞外緣磁場還有很多方面有待研究，天文學家需要更加清晰細致的觀測結果。
目前，EHT正在通過對陣列進行技術升級和增加新的觀測臺站，來進一步提升分辨本領。未來，EHT觀測能更準確地揭示黑洞周圍的磁場結構，並告訴人們更多關於這一區域熱氣體的物理性質。
作者：許琦敏
責任編輯：任荃
圖片來源：除註明外，均為中科院上海天文臺提供
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