人类捕获首张黑洞照片后新进展:偏振光下图像公开

作者:金叶子 责编:胥会云

继2019年4月全球首张黑洞照片发布后,黑洞又迎来新进展。

3月24日22:00,曾经成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜(EHT)合作组织,又为揭示M87超大质量黑洞提供了一个崭新视角:它在偏振光下的影像。

来自全球多个组织和大学的300多名研究人员参与了这项研究。中国科学院上海天文台牵头组织协调包括8位台内研究人员在内的国内学者参与了此次的EHT合作。

人类捕获首张黑洞照片后新进展:偏振光下图像公开插图

今天公布的新影像

新进展意义为何?

这是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。这一结果对解释距离地球5500万光年的M87星系如何从其核心向外传播能量巨大的喷流至为关键,而且对于推断吸积盘的模型有所帮助。

EHT偏振测量工作组协调员、荷兰拉德布德大学助理教授莫妮卡·莫西西布罗兹卡(Monika Mościbrodzka)说:“我们现在看到了下一个关键证据,用以解释黑洞周围磁场的行为以及在这个非常致密空间中的物理过程是如何驱动尺度远超星系本身的强大喷流。”

2019年4月10日,科学家们发布了有史以来第一张黑洞图像,揭示了一个明亮的环状结构及其黑暗的中央区域——黑洞的阴影。此后,EHT合作组织深入研究了2017年收集到的M87星系中心超大质量黑洞的数据。他们发现,M87黑洞周围的相当一部分光是偏振的。

人类捕获首张黑洞照片后新进展:偏振光下图像公开插图1

第一张黑洞图像

所谓偏振(也称极化),是电磁波的一种属性,指电磁波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质。光就是一种电磁波,由耦合振荡的电场和磁场组成,而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的,因此光的偏振信号携带着光线发出位置的电磁场信息。

当光线通过某些滤光片(如偏光太阳眼镜的镜片),或从被磁化的高温区域发出来时,光就会发生偏振。就像偏光太阳眼镜能减少来自明亮表面的反射和眩光从而帮助我们看得更清楚一样,天文学家可以通过观察来自黑洞边缘的光的偏振特性来锐化他们的视野。具体而言,偏振测量可以让天文学家绘制存在于黑洞边缘的磁力线。

美国科罗拉多大学博尔德分校助理教授、EHT理论工作组协调员杰森·德克斯特(Jason Dexter)解释说:“观测结果表明,黑洞边缘的磁场非常强,其作用力足以使得高温气体能够抵御引力的拉扯。只有溜过磁场的气体才能以旋进的方式进入到事件视界。”

绘制难度为何大?

从M87的核心喷射出来的明亮的能量和物质喷流,向外延伸了至少5000光年,是该星系最神秘、最壮观的特征之一。大部分靠近黑洞边缘的物质都会落入其中。然而,周围也有一些粒子会在被捕获前的瞬间逃逸并以喷流的形式向外传播。

为了更好地理解这一过程,天文学家构建了不同的关于黑洞边缘物质行为的模型。但他们仍然不清楚比星系尺度还要大的喷流究竟是如何从星系中心(这一通常只有太阳系般大小)区域发射出来的,也不知道物质究竟是如何落入黑洞的。这个新的EHT黑洞偏振图像,使天文学家首次成功探究黑洞外缘区域的物理过程,在那里物质可能被吸入或被喷射出来。

EHT偏振测量工作组协调员、西班牙瓦伦西亚大学GenT杰出研究员伊万·马蒂·维达尔(Iván
Martí-Vidal)解释说:“这项工作是一个重要的里程碑:偏振光所携带的信息能让我们更好地理解在2019年4月发布的黑洞图像背后的物理,这在以前是不可能的。”他补充说,“由于获取和分析这些数据涉及到十分复杂的技术,科学家们为绘制这一偏振图像用了更多的时间。”

EHT合作成员、上海天文台路如森研究员说,之所以拍摄黑洞偏振照片很难,主要有三个原因,首先是因为偏振特征本身就比较弱。第二是因为偏振辐射在每个小尺度局部区域都是不同的,但若是没有足够的分辨本领探测这些区域内偏振辐射的话,观测到的偏振特征就会由于不同区域的叠加效应而被削弱。

“最后,由于光在从发出到远离黑洞的过程中,穿过了黑洞周围的热气体。在这一过程中存在法拉第旋转效应,即指在磁化介质中偏振的方向会发生旋转,会削弱偏振特征。”路如森告诉第一财经。

EHT合作成员、上海天文台江悟副研究员对第一财经补充道:“常规甚长基线干涉测量(VLBI)偏振测量就很困难,EHT因比常规VLBI观测频率更高,得到这个偏振图像更是充满挑战。”这也可以理解为什么在首张黑洞图像出炉后,偏振图像的面世又花费了近两年的时间。

为了观测M87星系的中心,这项合作将世界各地的八台望远镜连接起来,创建了一个虚拟的类似地球大小的望远镜——EHT。EHT的分辨本领相当于在地球上看清月面一张信用卡所需的分辨率。这使研究团队能够直接观察到黑洞的阴影以及环绕的光环,新的偏振图像清楚地显示出该光环是磁化的。

人类捕获首张黑洞照片后新进展:偏振光下图像公开插图2

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