天文学家对M87黑洞边缘的磁场成像

2021-03-24

今天，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。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我们地球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。

图1：偏振光下M87超大质量黑洞的图像。事件视界望远镜（EHT）在梅西耶87（M87）星系中心捕获了有史以来的第一张黑洞图像。今天，该望远镜为揭示这个超大质量黑洞提供了一个崭新视角：它在偏振光下的影像。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。这张图片显示的是M87黑洞的偏振图像。其中的线条标记偏振的方向，它与黑洞阴影周围的磁场有关。图片版权：EHT 合作组织。

EHT 偏振测量工作组协调员、荷兰拉德布德大学助理教授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。

同为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。”

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。

EHT 合作成员、上海交通大学李政道研究所学者Yosuke Mizuno说：“这次最新公布的偏振图像是理解磁场如何让黑洞“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流的关键。”

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。这个新的黑洞及其阴影的EHT 偏振图像，使天文学家首次成功探究黑洞外缘区域，在那里物质可能被吸入或被喷射出来。

观测结果提供了新的有关黑洞外缘磁场结构的信息。研究团队发现，只有以强磁化气体为特征的理论模型才能解释在事件视界看到的情况。

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。”

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。今天，EHT 合作的两篇论文正式发表在《天体物理学杂志通讯》。

EHT 合作成员、台北中研院天文与天体物理研究所东亚核心天文台联盟研究员Jongho Park 总结道：“通过对阵列进行技术升级和增加新的观测台站，EHT 还在迅速发展中。我们期待未来的EHT 观测能更准确地揭示黑洞周围的磁场结构，并告诉我们更多关于这一区域热气体的物理性质。”

EHT 官方网站: https://eventhorizontelescope.org

EHT 官方报道: https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole