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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。
24日，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。
「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。
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。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。
「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。」EHT合作成員、上海天文臺副研究員江悟解釋，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。
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。 （據文匯報）
黑洞從哪裡來？目前有兩種假設
2015年9月，激光干涉引力波天文臺（LIGO）探測到來自兩個黑洞碰撞並合過程中產生的引力波信號。這是愛因斯坦廣義相對論提出引力波概念100周年後，人類首次直接探測到引力波，它將天文學帶入了新紀元。
在將黑洞用於研究整個宇宙之前，天體物理學家必須先弄清楚它們是怎樣形成的。到目前為止，有兩種理論是解釋這一問題的主流觀點：
一些天文學家認為，大多數黑洞起源於密集的恒星簇（也叫星團），其密度可能比人類所處的銀河系大100萬倍。每當一顆巨大的恒星爆炸，它就會留下一個黑洞，沉入星團中間，恒星簇的中心因黑洞而變得密度很大，超強引力有著席卷牽引一切的能力。天文學家稱此為「動態」黑洞的形成。
另一些研究者認為，黑洞更喜歡一對對地孤立出現。它們最初在相對荒涼的星系區域以成對恒星的形式開始發展，經過漫長而混亂的「共同生活」後發生爆炸，形成了一對「孤立的」黑洞，並繼續圍繞彼此運轉。
美國芝加哥大學的天體物理學家丹尼爾·霍爾茲表示：「人們普遍認為，這是動力學模型與孤立模型之間的鬥爭。」
實際上，LIGO首次探得引力波的過程是快速且輕松的——在他們開展正式觀測以前，驚喜結果便出現了，這表明雙黑洞系統在宇宙中非常普遍。如此看來，前文提到的第二種理論，也就是孤立的雙黑洞系統是主流，似乎更符合「黑洞並合廣泛出現在各種天體環境中」這一現實。而其他人則指出，2015年的並合黑洞異常巨大，它看起來更符合動力學模型，也就是第一種理論所說的「密集的恒星簇當中的黑洞」。用他們的話說，這麼大的黑洞只能來自早期宇宙，而早期宇宙已有星團恒星簇形成了。LIGO的最新數據顯示，孤立的雙黑洞系統的普遍性遠低於預期。卡內基梅隆大學的天體物理學家卡爾·羅德裡格斯和同事不久前發表的論文指出，星團可以「完全解釋」現在觀測到的黑洞並合的速度。
新發現的黑洞並合還為解決黑洞從何而來的難題提供了新方法。黑洞在某種意義上其實很簡單：除質量與電荷外，它唯一具備的特征就是自旋——自身旋轉速度的一種度量。如果雙黑洞系統一路從一對恒星演變而來，相伴一生，那麼持久的相互作用將使它們的自旋步調一致；如果二者是在生命的中段才邂逅彼此，它們的自旋就可能呈現出非常不同的狀態。
天文學家在測量了LIGO數據集中的黑洞自旋後提出，動態理論和孤立理論差不多。正如天體物理學家麥克·澤文和同事在近期預印本論文中提出的說法，沒有「一個總攬一切的門路」，一系列不同的門路共同解釋不斷增長的雙黑洞系統。