科學探索：首張黑洞偏振照片發布，M87黑洞新“頭像”是怎樣誕生的？


圖片來源：EHT Collaboration
事件視界望遠鏡（EHT，Event Horizon Telescope）合作組織曾繪製了黑洞的第一張圖像，近日，它解釋了Messier 87（M87）星係中心的巨大黑洞在偏振光下的外觀。這是天文學家首次能夠測算黑洞邊緣磁場極化的特征。這些觀測結果是解釋距地球5500萬光年的M87黑洞射流的關鍵。
EHT偏振觀測的負責人、荷蘭拉德堡德大學（Radboud University）的助理教授Monika Moscibrodzka說：“我們看到了又一個至關重要的證據，以了解黑洞周圍的磁場如何運作，以及這個狹小空間中的活動如何驅動了一直延伸到銀河係之外的強大射流。”
2019年4月10日，科學家們發布了首張黑洞圖像，圖片顯示出明亮的環狀結構與中心的黑暗區域。此後，EHT合作組織開始深入研究M87星係中心的超大質量物體的數據。他們發現，M87黑洞周圍的光有很大一部分是偏振的。
“這項工作是一個重要的裏程碑：光的偏振攜帶信息，使得我們能夠更好地理解在2019年4月看到的圖像背後的物理學，這是以前不可能做到的，”EHT的偏振觀測負責人、西班牙瓦倫西亞大學（University of Valencia）的GenT傑出研究者（GenT Distinguished Researcher）Iván Martí-Vidal說，“因為相關的數據獲取和分析技術十分複雜，發布新的偏振光圖像需要花費很多年的時間。”
光在透過某些濾鏡（如偏光太陽鏡），或通過存在磁場的高溫區域時，就會產生偏振。偏光太陽鏡以此減少明亮表麵的反射光和眩光，幫助我們更好地看清事物。基於同樣的原理，天文學家可以通過觀測來自黑洞的偏振光來增強對黑洞周圍區域的認識。具體而言，光的偏振效應使得天文學家能夠繪製出黑洞邊緣處的磁場線。


圖片來源：pixabay
EHT成員、美國航空航天局（NASA）哈勃望遠鏡團隊成員、美國普林斯頓理論科學中心（Princeton Center for Theoretical Science）和普林斯頓引力中心（Princeton Gravity Initiative）的研究者Andrew Chael說：“新發布的計劃圖像是了解黑洞吞噬物質時產生的射流現象中磁場作用方式的關鍵。”
攜帶巨大能量和大量物質的明亮射流來自M87的核心區域，從其中心伸展出至少5000光年的長度，是整個星係中能量最高、也最神秘的現象之一。大部分接近黑洞邊緣的物質最終都會落入黑洞，但有些環繞黑洞的粒子會在被徹底捕獲以射流的形式逃逸，被吹向太空深處。
天文學家曾依靠各種描述黑洞附近物質行為的模型來試圖理解這一過程。但學界還未完全理解尺度相當於太陽係的黑洞中心區域如何噴射出尺度超過整個星係的射流，也不清楚物質究竟如何落入黑洞。而利用新的EHT黑洞偏振成像，天文學家第一次設法觀測到黑洞外圍這一同時發生物質墜入和射出的區域。
這些觀測提供了有關黑洞外部磁場結構的全新信息。研究團隊發現，隻有具有強磁化氣體特征的理論模型才能解釋他們在事件視界看到的現象。
EHT的理論研究者、美國科羅拉多大學博爾德分校的助理教授Jason Dexter說：“觀測表明，黑洞周圍的磁場很強，足以幫助高熱氣體對抗黑洞的引力。隻有穿過這一磁場的氣體才能夠旋轉進入事件視界。”


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EHT合作組織連接了全球各地的八座望遠鏡——包括智利北部的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）和阿塔卡瑪探路者實驗望遠鏡（APEX），以及歐洲南方天文台（ESO）等。團隊以這樣的方式創造了一個地球尺寸的望遠鏡——事件視界望遠鏡。EHT獲得了令人印象深刻的分辨率——相當於測量月球表麵一張信用卡的長度所需的分辨率。
“有了ALMA和APEX，EHT網絡的地理分布得到了擴展，延伸到了地球南部，這進一步提高了EHT的成像質量，”ESO的ALMA項目專家Ciska Kemper說，“ALMA擁有66條天線，這使得它在偏振光信號收集上發揮了主要作用，而APEX則對圖像校準有重要作用。”
“ALMA的數據對於校準、成像和解釋EHT觀測也十分重要。它為解釋黑洞事件視界附近的物質行為的模型提供了嚴格的約束條件。”拉德堡德大學和萊頓天文台（Leiden Observatory）的科學家、一項基於ALMA觀測的相關研究的領導者Ciriaco Goddi說。
EHT的配置使得團隊能夠直接觀測黑洞附近的陰影和光環，新的偏振光圖像清晰地顯示出了這一光環是磁化的。這一結果於3月24日發表在《天體物理雜誌快報》（The Astrophysical Journal Letters）上的兩篇論文中。此研究團隊包括來自全球多個大學和研究機構的300多名研究人員。
EHT成員、中國台灣“中央研究院”天文及天體物理研究所的東亞核心天文台聯盟（EACOA）研究員Jongho Park總結道：“EHT正在飛速發展，其網絡係統正在進行技術升級，連接的天文台數目也在增加。我們希望未來EHT的觀測結果能夠更精確地揭示黑洞周圍的磁場結構，並提供更多有關這一區域高熱氣體的物理學信息。”
翻譯：武大可
審校：戚譯引
引進來源：ESO
本文來自：環球科學


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