M87超大质量黑洞在偏振光下的图像，其中的线标记了偏振方向(图片来源：EHT合作)
2019年，事件地平线望远镜(EHT)发布了人类历史上第一张黑洞照片，——M87星系中心黑洞照片。就在昨晚，经过多年的数据处理，EHT发布了黑洞的偏振照片。但实际上，这次公布的黑洞偏振照片已经是“P”了，人类无法分辨黑洞吸积盘上如此精细的结构。但对于天文学家来说，这仍然意味着人类第一次接触到了黑洞视界上的极端磁场，为探索极端相对论喷流的来源提供了可靠的证据。
作者|王宇
修订|吴菲
黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的产物，但在2019年之前，即使我们能用引力波“听到”黑洞，也没有机会用电磁波“看到”黑洞。这是因为黑洞太远，太小。即使梅西耶87 (M87)中心的黑洞是一个质量是太阳几十亿倍的星际巨兽，它的事件视界在天空的投影也只有几微角秒，即使加上外围的吸积盘，也只有几十微角秒。要知道1度的开角对应的是3.6亿微角秒，没有一架望远镜能分辨出这么精细的角度。因此，事件地平线望远镜(EHT)应运而生。EHT结合世界各地的射电望远镜来提高黑洞照片的分辨率。
2017年4月，西半球附近的十几台望远镜将其观测方向指向M87*(M87中央黑洞)。经过两年的数据处理，天文学家终于得到了人类历史上第一张黑洞照片。但是物理学家对此并不满意。为了探索黑洞周围的极端磁场，黑洞的极化信息也是必不可少的。经过两年的数据处理，人类终于迎来了第一张黑洞的偏振照片。
论文发表的黑洞偏振照片来源：ApJL，910:L13 (43pp)
看到这张图可能会让你大吃一惊。论文中公布的黑洞偏振照片与广为流传的并不一致，也没有充满细条的旋涡黑洞偏振照片有趣。事实上，这张黑洞的偏振照片仍然是“粘贴”。EHT的望远镜使用220兆赫的电磁波进行观察。即使它的等效孔径达到了地球直径的量级，它的分辨率仍然只有20微角秒，不足以捕捉到头像中的详细结构。(第一张图是偏光照片艺术处理的结果。)按照人类目前的技术路线，在地球上和太空中的射电望远镜形成干涉阵之前，人类拍摄的黑洞照片已经无法再清晰。
黑洞的偏振照片
那么，这张照片反映了什么信息呢？我们都知道光是电磁波，电磁波是横波，即振动方向与波传播方向垂直的波。极化是横波的一种状态，即横波中的振动方向只面向一个方向。大多数手机和电脑屏幕都会发出偏振光。取一个偏光镜，在屏幕前旋转。你可能看到偏光镜一会透光，一会不透光；或者说通过偏光镜的光线颜色变化很奇怪。目前大多数屏幕的制造工艺决定了它们发出的光大部分是偏振光。
大多数手机和电脑屏幕发出的光是偏振光
天文学中的许多现象产生偏振光。至于黑洞吸积盘，射电波段产生的辐射主要来自于磁场中以相对论速度运动的电子发出的光，称为同步辐射。这种辐射具有明显的偏振特性，同时也包含了黑洞周围的磁场信息。自2019年黑洞照片发布以来，天文学家一直在处理偏振图像数据。一开始他们以为黑洞周围只有1%~3%的光是偏振的。随着数据处理的进步，科学家发现10%~20%的光是偏振的。由于在初步处理所有数据时，不同方向的偏振会相互抵消，因此高分辨率是EHT能够观察到黑洞偏振图像的重要原因之一。天文学家这次拍摄的黑洞偏振图像可以通过动画的方式这样显示出来。
黑洞偏振图像的动画图像：伊万马蒂、瓦朗西亚大学和EHT合作组织
黑洞偏振照片左下角的条纹比较明显，右上角就不那么明显了，因为右下角的图片偏振度比较高，左上角的偏振不明显。从动画中还可以看出，随着偏振方向的改变，黑洞右下方的变化比左上方的变化要多。头像中的“头发”并不意味着我们可以清楚地看到黑洞吸积盘上的一切
楚楚，这种“毛”只是一种为了美观，表示偏振方向的可视化手法。可以说，这些“毛”都是“P”上去的，并非直接拍到的图像。如果用类似的方式处理我们日常生活中能接触到的偏振光，会是这个样子的。
素材来源：EHTCollaboration
黑洞未解之谜
对黑洞周围的偏振测量具有重要的科学意义，我们能得到黑洞周围更详细的参数，例如黑洞周围平均每立方厘米104~107的粒子密度（地表为每立方厘米1019量级）。如果这不能让你感受到黑洞的强大力量，那吸积盘上等离子体中100亿~1200亿开尔文的电子温度一定能符合你对黑洞的期待。
当然，黑洞偏振照片也可以帮我们解决很多关于黑洞的未解之谜。EHT偏振测量工作组协调员兼荷兰拉德布德大学助理教授莫妮卡·莫希西布罗兹卡（Monika Mościbrodzka）说：“对于了解黑洞周围的磁场是如何作用的，以及在这个紧凑空间中如何诞生喷发到遥远宇宙空间的强大喷流，我们现在已经掌握了关键性证据。”
除了2019年公布的黑洞照片，M87*还有一张著名的照片，是由哈勃拍摄的它的极端相对论性喷流。不少靠近黑洞的物质都会被它吸入，但也有一部分在这个过程中，被加速到极端相对论性速度，最终形成了这个在宇宙中绵延了5000光年的喷流。
M87*绵延了5000光年的喷流 图片来源：NASA and The Hubble Heritage Team
要了解黑洞是如何产生这样的相对论性喷流，通过偏振照片测到的黑洞周边1~30高斯的磁场（1特斯拉=10000高斯）就是破局的关键之一。在定量比较了从广义相对论磁流体动力学（general relativistic magnetohydrodynamic，GRMHD）模拟的大量模拟极化图像的基础上，天文学家确定了一系列物理模型，可以同时满足黑洞图像的偏振特征和对相对论性喷流的功率需求。
另外，偏振观测还提供了黑洞外磁场结构的新信息。研究小组发现，只有具有强磁化气体的模型才能解释他们在事件视界上看到的内容。“观测表明，黑洞边缘的磁场足够强，可以抵抗引力的吸引。只有穿过磁场的气体才能螺旋着进入事件视界。”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）解释道。
不过即使是进入黑洞的过程受到了阻碍，根据偏振图像建立的模型表示，M87*每万年都还能吸收3~20个太阳质量的天体，大致相当于每年能吸入66~1000个地球质量。
德克斯特说：“这是一个非常令人兴奋的结果，能让我们了解更多关于这个黑洞的信息，以及M87中黑洞背后的物理特征。而这只是开始。”未来，将有更多的望远镜加入EHT，提升的网络连接质量也将加速数据处理进程。EHT对黑洞的探索已经翻开了精彩的一页，但这绝对不会是他们的终点。
参考链接：
https：//iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe71d
https：//eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole
https：//www.scientificamerican.com/article/magnetic-field-around-a-black-hole-mapped-for-the-first-time/
https：//en.wikipedia.org/wiki/Messier_87
探索网：世界之大，无奇不有！
