旋转黑洞附近吸积流的同步辐射有望精确刻画黑洞的时空几何。
旋转黑洞会强烈扭曲其周围的时空结构，迫使邻近物质随之旋转，来自这些物质的辐射可能蕴含揭示黑洞性质的关键信息，尤其对于理解黑洞自旋等基本参数具有重要意义。近日，上海交通大学李政道研究所联合北京大学、北京师范大学和宁波大学的研究人员围绕这一前沿课题开展了深入研究。通过细致的理论建模与计算，研究团队发现：靠近事件视界区域产生的同步辐射，其偏振模式几乎完全由黑洞自身的时空结构所决定，而不受周围等离子体运动状态的干扰。这一突破性发现为黑洞性质的观测提供了一种全新的、稳定的诊断手段，尤其在精确测量黑洞自旋方面展现出巨大潜力。该研究不仅深化了我们对极端引力环境下电磁辐射机制的理解，也为未来基于偏振观测的黑洞成像研究提供了理论基础。相关成果已发表在《天体物理学快报》（The Astrophysical Journal Letters）上。
随着事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）近年先后拍摄到M87*和银河系中心Sgr A*的阴影图像，天文学家首次“看见”了黑洞，并开始探索其时空结构与周围等离子体的动力学。偏振观测是研究黑洞磁场和吸积过程的关键手段。通常而言，磁流体产生的同步辐射偏振模式受到强引力场中的磁场结构、等离子体运动以及引力透镜效应的共同影响，因此偏振图案融合了磁流体物理与时空几何的信息。如何从中分离出纯粹的引力效应，一直是理论与观测面临的重大挑战。要实现从“看见”黑洞到“解读”黑洞的飞跃，亟需寻找新的、可稳定表征黑洞性质的观测量。
此次研究中，团队发现，在旋转黑洞的事件视界附近，强引力引发的“参考系拖曳效应”会导致磁场与等离子体形成高度螺旋状结构，从而在偏振图像中留下清晰、稳定的偏振特征。更为重要的是，这种“近视界偏振”模式具有高度的普适性：在一定理想条件下，其形态主要由黑洞的时空几何决定，几乎不依赖于离子体的具体流动状态。这意味着，偏振图像中蕴含着黑洞“指纹”般的结构信息，可作为诊断黑洞自旋等关键参数的新型观测量。
研究人员还将该近视界偏振公式拓展至更一般的黑洞解，表明这种偏振结构具有广泛的适用性，这使得近视界偏振图案有望成为未来检验广义相对论、研究黑洞时空结构的重要观测工具。
图 1：像平面上事件视界边缘的偏振分布。
图 2：(左) 在不同自旋参数和视线倾角下，近视界偏振主导阶的净偏振方向沿着事件视界边缘的变化。(右) 观者位于轴向视角时，近视界偏振主导阶的净偏振方向随黑洞自旋的变化。
研究成果不仅为未来高精度黑洞成像与自旋测量提供了理论基础，也为利用偏振观测测试广义相对论在强引力极限下的适用性提供了新路径。随着下一代EHT观测计划的推进，这一研究有望在实际观测数据中得到验证，并进一步推动黑洞物理和基础引力理论的发展。
论文原文
Yehui Hou, Jiewei Huang, Minyong Guo, Yosuke Mizuno, Bin Chen
“Near-Horizon Polarization as a Diagnostic of Black Hole Spacetime”, The Astrophysical Journal Letters, 988, L51
doi: 10.3847/2041-8213/adee09
联系方式
Dr. Yehui Hou
上海交通大学李政道研究所
houyh20061010@sina.com , yehuihou@pku.edu.cn
Mr. Jiewei Huang
北京大学物理学院
Prof. Minyong Guo
北京师范大学物理与天文学院
Prof. Yosuke Mizuno
上海交通大学李政道研究所
Prof. Bin Chen
宁波大学基础物理与量子科技研究院
该工作得到了国家自然科学基金 (Nos. 12205013, 12275004, 12273022)，科技部重点研发计划重点专项 (No. 2023YFE0101200)和上海市科学技术委员会2022年度外国专家基础研究项目 (No. 22JC1410600)的资助。