人類首張黑洞照片公布 2 年后偏振圖像也來了，這次不高糊了！

本文作者：付靜

2021-03-25 18:10

導(dǎo)語：關(guān)于 EHT 分辨能力的一個(gè)生動(dòng)比喻是，在地球上看清月面的一張信用卡。

1783 年 11 月，一位英國自然哲學(xué)家、牧師 John Michell 在寫給物理學(xué)家卡文迪什（Henry Cavendish）的一封信中，首先提出可能存在一種暗天體（dark body）或暗星（dark star），其密度極大，擁有連光都無法逃逸的巨大引力。

自 John Michell 第一個(gè)提出存在「暗天體」至今，人類對(duì)這一神秘天體的探索從未停止。幸運(yùn)的是，生活在 21 世紀(jì)的我們雖難知其全貌，卻也看到了珍貴的黑洞照片。

2019 年 4 月，由全球 30 多個(gè)研究單位組成的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）團(tuán)隊(duì)公布了首張黑洞照片，這張照片來自 M87 星系黑洞。

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隨后在 2020 年 4 月，天文學(xué)家們又公布了全球第二張黑洞照片，即一張 2017 年 4 月拍攝到的 55 億光年外的類星體 3C 279 中央核心及其射流起源的圖片。

人類首張黑洞照片公布 2 年后偏振圖像也來了，這次不高糊了！

而關(guān)于黑洞研究的最新消息是：2021 年 3 月 24 日，EHT 團(tuán)隊(duì)再次公布了一張黑洞照片——這是 2019 年 4 月公布的 M87 星系黑洞照片在偏振光下的影像。

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有人說，人類史上第一張黑洞照片如今更加清晰了，實(shí)際上照片中的線條標(biāo)記了偏振方向，與黑洞陰影周圍的磁場(chǎng)有關(guān)。

用科學(xué)家們的話說就是：

EHT 團(tuán)隊(duì)為揭示這個(gè)超大質(zhì)量黑洞提供了一個(gè)嶄新的視角。

何為黑洞？

了解 EHT 團(tuán)隊(duì)的研究前，先來了解一下黑洞。

大約在 John Michell 信中提到存在「暗天體」的 132 年后，一位你我都不陌生的物理學(xué)大牛再次預(yù)言了其存在。

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1915 年，愛因斯坦（Albert Einstein）完成了廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，并于次年正式發(fā)表。

Albert Einstein 的廣義相對(duì)論預(yù)言，在宇宙空間中存在一種天體，是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。這種天體密度極大、體積極小，引力也極其強(qiáng)大，強(qiáng)到連光線都被吸引，無法逃逸。

不久后，德國物理學(xué)家 Karl Schwarzschild 為這一預(yù)言做了精確解。

Karl Schwarzschild 通過計(jì)算得到了愛因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，這個(gè)解表明，如果一個(gè)靜態(tài)球?qū)ΨQ星體的實(shí)際半徑小于一個(gè)定值（這里指著名的史瓦西半徑），周圍就會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象：一旦進(jìn)入一個(gè)被稱為“視界”的界面，即便是光也無法逃脫（這里指事件視界，即一種時(shí)空的界線。事件視界中，引力巨大，黑洞附近的逃逸速度大于光速，任何光線皆不可能逃脫；事件視界外，物體則不會(huì)受到黑洞影響）。

直至 1969 年，美國天體物理學(xué)家 John Archibald Wheeler 首次提出了“黑洞”的概念。

此后，黑洞的定義則是：

時(shí)空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體。

探索黑洞，何其不易

不論預(yù)言也好，計(jì)算也罷，都無法真正感知黑洞的存在，更不必談進(jìn)一步探索。

但值得一提的是，1964 年，美國探空火箭發(fā)現(xiàn)了一個(gè)位于位于天鵝座方向的雙星系統(tǒng)「天鵝座 X-1」。

天鵝座 X-1 作為一個(gè) X 射線雙星系統(tǒng)，包含著一個(gè)能產(chǎn)生 X 射線源的致密星和一顆藍(lán)巨星。

當(dāng)時(shí)，英國理論物理學(xué)家 Stephen Hawking 和美國理論物理學(xué)家 Kip Stephen Thorne 曾拿天鵝座 X-1 打賭。Stephen Hawking 賭天鵝座 X-1 并非是黑洞，但隨后越來越多的觀測(cè)證據(jù)擺在眼前，Stephen Hawking 也在 1990 年承認(rèn)天鵝座 X-1 就是黑洞，也是人類在實(shí)際探索中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞。

通過這個(gè)例子不難看出，人類對(duì)黑洞的探索相當(dāng)艱難，很大一部分原因在于黑洞無法直接被觀測(cè)到，科學(xué)家只能間接得知其存在、質(zhì)量大小及對(duì)其他事物的影響。

具體而言，物體被黑洞吸入之前，其引力帶來的加速度會(huì)導(dǎo)致摩擦，進(jìn)而釋放出一些訊息，而這就是科學(xué)家判斷黑洞存在的關(guān)鍵證據(jù)（雷鋒網(wǎng)注：借由間接觀測(cè)恒星或星際云氣團(tuán)繞行的軌跡，也能尋到一些蛛絲馬跡）。

黑洞對(duì)于很多人而言，或許就像諾蘭的電影，不要試著去理解，感受就好（手動(dòng)狗頭）。

為進(jìn)一步了解黑洞，科學(xué)家們用到了一個(gè)工具——一種名為「事件視界望遠(yuǎn)鏡」（Event Horizon Telescope, EHT）的由 8 個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡（射電望遠(yuǎn)鏡是指觀測(cè)、研究來自天體的射電波的基本設(shè)備）形成的網(wǎng)絡(luò)，它主要嘗試觀測(cè)的是事件視界。

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2006 年，來自全球 30 多個(gè)研究所的科學(xué)家們聯(lián)合起來，發(fā)起了給黑洞拍照的計(jì)劃。

雷鋒網(wǎng)此前曾報(bào)道，這一計(jì)劃之下，分布在各地的 8 個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)同一目標(biāo)源、記錄數(shù)據(jù)，從而形成一個(gè)口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，將望遠(yuǎn)鏡的角分辨率提升至足以觀測(cè)事件視界尺度結(jié)構(gòu)的程度。

就 EHT 的分辨能力，中國科學(xué)院有一個(gè)生動(dòng)的比喻：相當(dāng)于在地球上看清月面上一張信用卡所需的分辨率。

2017 年 4 月，黑洞照片的拍攝工作完成，科學(xué)家們開始了數(shù)據(jù)處理過程。

終于，美國東部時(shí)間 2019 年 4 月 10 日 9 時(shí)，美國華盛頓、中國上海和臺(tái)北、智利圣地亞哥、比利時(shí)布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同時(shí)召開新聞發(fā)布會(huì)，公開了人類獲得的第一張黑洞照片。照片顯示了一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)中央的黑色區(qū)域正是黑洞的陰影。

為此，EHT 團(tuán)隊(duì)于 2019 年 9 月獲得了科學(xué)突破獎(jiǎng)基礎(chǔ)物理獎(jiǎng)。

首張黑洞偏振圖像發(fā)布

距離第一張黑洞照片公布，已過去近兩年。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2021 年 3 月 24 日，3 篇來自 EHT 團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表于《天體物理雜志快報(bào)》，論文合著者均多達(dá)數(shù)百位。

人類首張黑洞照片公布 2 年后偏振圖像也來了，這次不高糊了！

論文主要涉及黑洞邊緣的偏振特性，與有組織的極向磁場(chǎng)有關(guān)。

對(duì)此，中國科學(xué)院表示：

這是天文學(xué)家第一次在如此接近黑洞邊緣處測(cè)得表征磁場(chǎng)特征的偏振信息，該結(jié)果對(duì)解釋距離地球 5500 萬光年的 M87 星系如何從其核心向外傳播能量巨大的噴流具有關(guān)鍵意義。

其研究對(duì)象 M87 星系黑洞，是位于 M87 星系（即處女座）的一個(gè)巨大黑洞，其質(zhì)量約有 30-60 億個(gè)太陽的質(zhì)量，與太陽系距離約 5000 萬光年——當(dāng)前，科學(xué)家們選定的主要觀測(cè)目標(biāo)便是 M87 星系黑洞和位于銀河系中心的 Sgr A*（即人馬座 A*）黑洞。

EHT 團(tuán)隊(duì)通過深入研究 M87 星系黑洞的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：M87 黑洞周圍的相當(dāng)一部分光是偏振的。