原標(biāo)題：這次黑洞變身“旋轉(zhuǎn)煙花”

來源：成都商報(bào)電子版

這次黑洞變身“旋轉(zhuǎn)煙花”

北京時(shí)間3月24日22點(diǎn)，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織發(fā)布了M87超大質(zhì)量黑洞的最新照片：它在偏振光下的影像。

如果說，兩年前發(fā)布的那張轟動(dòng)世界的首張黑洞照片，看上去像一個(gè)溫暖的橙色甜甜圈，那么這次的影像則顯示出了“甜甜圈”更為細(xì)膩的結(jié)構(gòu)——如同一輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的煙花。

這些順滑流暢的曲線意義重大：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。這一結(jié)果對(duì)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(guān)鍵，為揭示M87超大質(zhì)量黑洞周邊性質(zhì)提供了一個(gè)嶄新視角。

24日，EHT合作的兩篇論文正式發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《天體物理學(xué)雜志通訊》上。由中科院上海天文臺(tái)科研人員領(lǐng)銜的國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)深度參與了該項(xiàng)研究。

八名上海天文學(xué)家深度參與

M87超大質(zhì)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(dāng)于65億個(gè)太陽質(zhì)量。雖然號(hào)稱“超大質(zhì)量”，但實(shí)際上這種黑洞是一類相當(dāng)小的天體，以至于幾乎不能被直接看到。由于黑洞質(zhì)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(gè)完美目標(biāo)。

2019年4月10日，由全球13個(gè)合作機(jī)構(gòu)共同創(chuàng)建的EHT團(tuán)隊(duì)發(fā)布了有史以來第一張黑洞照片，揭示了一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其黑暗的中央?yún)^(qū)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(qiáng)度圖。”中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)說，EHT在2017年所獲得的這批圖像數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到了20微角秒——這個(gè)精度意味著，你可以在紐約閱讀一份巴黎街頭攤開的報(bào)紙。

此后，EHT合作組織深入研究了這批M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，M87黑洞周圍的相當(dāng)一部分光是偏振的。

2019年7月，EHT合作組織在德國(guó)馬普射電天文研究所召開了偏振校準(zhǔn)工作會(huì)議。在此后約兩年時(shí)間里，天文學(xué)家們開展了艱苦的工作，開發(fā)了多種數(shù)據(jù)處理方法，終于獲得了這幅最新發(fā)布的黑洞偏振圖像。參與此次EHT大型國(guó)際合作項(xiàng)目的科研人員多達(dá)300名，其中中國(guó)大陸學(xué)者共16人，有8人來自上海天文臺(tái)。最后，參與偏振校對(duì)的三個(gè)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(jié)果，令所有人都興奮不已。

“旋轉(zhuǎn)煙花”所蘊(yùn)藏的奧秘

從最新發(fā)布的照片來看，原先模糊的“甜甜圈”顯現(xiàn)出了更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)——如同一輪火紅的旋轉(zhuǎn)煙花。

這些順滑的曲線是如何被看見的？簡(jiǎn)言之，通過偏振測(cè)量。光是一種電磁波，當(dāng)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(qū)域發(fā)出來時(shí)，就會(huì)觀測(cè)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(xué)家可以通過觀察來自黑洞邊緣的光的偏振特性，來得到新的信息——偏振測(cè)量可以讓天文學(xué)家了解存在于黑洞邊緣的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

“常規(guī)VLBI偏振測(cè)量就很困難，EHT得到這個(gè)偏振圖像更是充滿挑戰(zhàn)。”EHT合作成員、上海天文臺(tái)副研究員江悟解釋，由于黑洞邊緣輻射的偏振度不到10%，因此他們?cè)O(shè)計(jì)了多種方法，小心翼翼地消除設(shè)備和觀測(cè)過程中的各種效應(yīng)，才得到了目前的結(jié)果。

這些曲線代表了什么？沈志強(qiáng)認(rèn)為，首先它透露了黑洞邊緣的光是如何產(chǎn)生的，“我們可以推斷出，黑洞周圍有相對(duì)論性的氣體，它們運(yùn)動(dòng)速度很快，相對(duì)論性電子在磁場(chǎng)里會(huì)產(chǎn)生同步輻射”，現(xiàn)在觀測(cè)結(jié)果證明它就是來自同步輻射。

黑洞研究的又一個(gè)里程碑

對(duì)于研究黑洞的天文學(xué)家來說，這項(xiàng)工作是一個(gè)重要的里程碑：偏振光所攜帶的信息能讓我們更好地理解2019年4月發(fā)布的首張黑洞圖像背后的物理機(jī)制，這在以前是不可能的。

“黑洞的偏振成像結(jié)果，對(duì)理解黑洞周圍的磁場(chǎng)及物理過程至為關(guān)鍵。”EHT合作成員、上海天文臺(tái)研究員路如森解釋，過去由于觀測(cè)精度不夠，天文學(xué)家只能通過理論模型對(duì)其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行猜測(cè)推導(dǎo)，如今則看到了關(guān)鍵證據(jù)。

從M87的核心噴射出來的明亮能量和物質(zhì)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(zhì)都會(huì)落入其中，周圍也有一些粒子會(huì)在被捕獲前的瞬間逃逸并以噴流的形式向外傳播。

為了更好地理解這一過程，天文學(xué)家構(gòu)建了不同的關(guān)于黑洞邊緣物質(zhì)行為的模型。但他們?nèi)圆磺宄刃窍党叨冗€要大的噴流究竟是如何從只有太陽系大小的星系中心區(qū)域發(fā)射出來的，也不知道物質(zhì)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(xué)家首次成功探究黑洞外緣區(qū)域——在那里，物質(zhì)可能被吸入或被噴射出來。EHT合作成員、美國(guó)普林斯頓理論科學(xué)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(chǎng)如何讓黑洞‘吞噬’物質(zhì)并發(fā)出能量巨大的噴流的關(guān)鍵。”

黑洞外緣磁場(chǎng)揭開神秘面紗

此次偏振觀測(cè)的結(jié)果還提供了有關(guān)黑洞外緣磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的新信息。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只有以強(qiáng)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(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校助理教授、EHT理論工作組協(xié)調(diào)員杰森·德克斯特解釋說：“觀測(cè)結(jié)果表明，黑洞邊緣的磁場(chǎng)非常強(qiáng)，其作用力足以使得高溫氣體能夠抵御引力的拉扯。只有溜過磁場(chǎng)的氣體才能以旋進(jìn)的方式進(jìn)入到事件視界。”這一關(guān)鍵證據(jù)，可以解釋黑洞周圍磁場(chǎng)的行為，以及在這個(gè)非常致密空間中的物理過程是如何驅(qū)動(dòng)尺度遠(yuǎn)超星系本身的強(qiáng)大噴流的。

由世界各地的八臺(tái)望遠(yuǎn)鏡連接起來而創(chuàng)建的虛擬望遠(yuǎn)鏡EHT，分辨本領(lǐng)相當(dāng)于在地球上看清月面一張信用卡。“盡管已經(jīng)能夠直接觀察到黑洞的陰影以及環(huán)繞的光環(huán)，但天文學(xué)家對(duì)其精度仍不滿足。”沈志強(qiáng)表示，根據(jù)現(xiàn)在偏振觀測(cè)結(jié)果，黑洞外緣磁場(chǎng)還有很多方面有待研究，天文學(xué)家需要更加清晰細(xì)致的觀測(cè)結(jié)果。

目前，EHT正在通過對(duì)陣列進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和增加新的觀測(cè)臺(tái)站，來進(jìn)一步提升分辨本領(lǐng)。未來，EHT觀測(cè)能更準(zhǔn)確地揭示黑洞周圍的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并告訴人們更多關(guān)于這一區(qū)域熱氣體的物理性質(zhì)。 （據(jù)文匯報(bào)）

黑洞從哪里來？目前有兩種假設(shè)

2015年9月，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到來自兩個(gè)黑洞碰撞并合過程中產(chǎn)生的引力波信號(hào)。這是愛因斯坦廣義相對(duì)論提出引力波概念100周年后，人類首次直接探測(cè)到引力波，它將天文學(xué)帶入了新紀(jì)元。

在將黑洞用于研究整個(gè)宇宙之前，天體物理學(xué)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(diǎn)：

一些天文學(xué)家認(rèn)為，大多數(shù)黑洞起源于密集的恒星簇（也叫星團(tuán)），其密度可能比人類所處的銀河系大100萬倍。每當(dāng)一顆巨大的恒星爆炸，它就會(huì)留下一個(gè)黑洞，沉入星團(tuán)中間，恒星簇的中心因黑洞而變得密度很大，超強(qiáng)引力有著席卷牽引一切的能力。天文學(xué)家稱此為“動(dòng)態(tài)”黑洞的形成。

另一些研究者認(rèn)為，黑洞更喜歡一對(duì)對(duì)地孤立出現(xiàn)。它們最初在相對(duì)荒涼的星系區(qū)域以成對(duì)恒星的形式開始發(fā)展，經(jīng)過漫長(zhǎng)而混亂的“共同生活”后發(fā)生爆炸，形成了一對(duì)“孤立的”黑洞，并繼續(xù)圍繞彼此運(yùn)轉(zhuǎn)。

美國(guó)芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家丹尼爾·霍爾茲表示：“人們普遍認(rèn)為，這是動(dòng)力學(xué)模型與孤立模型之間的斗爭(zhēng)。”

實(shí)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(cè)以前，驚喜結(jié)果便出現(xiàn)了，這表明雙黑洞系統(tǒng)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(tǒng)是主流，似乎更符合“黑洞并合廣泛出現(xiàn)在各種天體環(huán)境中”這一現(xiàn)實(shí)。而其他人則指出，2015年的并合黑洞異常巨大，它看起來更符合動(dòng)力學(xué)模型，也就是第一種理論所說的“密集的恒星簇當(dāng)中的黑洞”。用他們的話說，這么大的黑洞只能來自早期宇宙，而早期宇宙已有星團(tuán)恒星簇形成了。LIGO的最新數(shù)據(jù)顯示，孤立的雙黑洞系統(tǒng)的普遍性遠(yuǎn)低于預(yù)期。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的天體物理學(xué)家卡爾·羅德里格斯和同事不久前發(fā)表的論文指出，星團(tuán)可以“完全解釋”現(xiàn)在觀測(cè)到的黑洞并合的速度。

新發(fā)現(xiàn)的黑洞并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(shí)很簡(jiǎn)單：除質(zhì)量與電荷外，它唯一具備的特征就是自旋——自身旋轉(zhuǎn)速度的一種度量。如果雙黑洞系統(tǒng)一路從一對(duì)恒星演變而來，相伴一生，那么持久的相互作用將使它們的自旋步調(diào)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(xiàn)出非常不同的狀態(tài)。

天文學(xué)家在測(cè)量了LIGO數(shù)據(jù)集中的黑洞自旋后提出，動(dòng)態(tài)理論和孤立理論差不多。正如天體物理學(xué)家邁克爾·澤文和同事在近期預(yù)印本論文中提出的說法，沒有“一個(gè)統(tǒng)轄一切的途徑”，一系列不同的途徑共同解釋不斷增長(zhǎng)的雙黑洞系統(tǒng)。

[責(zé)任編輯：楊凡、崔中連]

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