两年前，人类历史上第一张黑洞照片问世，那张酷似“甜甜圈”的图片，展示了5500万光年外的M87星系中央的超大质量黑洞。而就在刚刚（22时），发布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。
图说：黑洞在偏振光下的影像 来源/EHT
远看，似乎和两年前的照片区别不大，但细观还是能发现不同。如果说首张照片让科学家看到了“甜甜圈”的外表，那此次的成果，让科学家看清了“甜甜圈”的“纹理”，更能通过“纹理”了解“甜甜圈”的物理性质。中国科学院上海天文台副台长袁峰研究员介绍，新影像的意义有二： “其一是对解释M87星系如何从其核心向外传播能量巨大的喷流至为关键；其二是对于推断吸积盘的模型有所帮助。”
偏振蕴藏更多信息
要理解天文学家们的最新成果，偏振是个绕不开的概念。首张黑洞照片公布后，EHT合作组织深入研究了此前收集到的M87星系中心超大质量黑洞的数据。大家发现，M87黑洞周围的辐射是具有较高偏振度的偏振辐射。
想象一下，电磁波（光）向左传播，跟传播方向垂直的平面内包含振动的电场和磁场，它们也互相垂直。其中，电场的振动方向就叫做电磁波的偏振方向。
图说：电磁波示意图 来源/中科院传播局
是不是还没明白？打比方来说，假如你站在房间里，窗户外装了竖条纹的防盗窗。如果你想向屋外传递一个大圆盘，你必须把盘子竖起来顺着栏杆方向才能递出去，否则就会被卡住。黑洞周围的光类似这个大圆盘，如果在光路上放一个能拦住电磁波的“栏杆”，那么就只有与栏杆方向顺着的偏振方向上的光子才能完全透过这个栏杆，别的偏振方向的光子透过去的强度会减少，与栏杆垂直的偏振方向上的光子则完全不能透过。
偏振听着“高大上”，可也有“接地气”的应用。在生活中，人们戴上偏振眼镜来看3D电影，或是在相机镜头前加旋转偏振滤镜滤掉水面的反射光从而更清晰地拍摄水中的鱼。具体到EHT此次研究中，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偏振测量工作组协调员、西班牙瓦伦西亚大学研究员伊万·马蒂·维达尔表示，偏振光所携带的信息能让科学家更好地理解在2019年4月发布的首张黑洞图像背后的物理，这在以前是不可能的。
解密更多黑洞“进食”奥秘
大家都知道，黑洞“贪吃”——在事件视界范围内，其引力强大到连光都无法逃脱。天文学家却也能根据黑洞“吃东西”发出来的光判断黑洞的存在。不过，也有一些“幸存”粒子会在被“吃”前的瞬间逃逸并以喷流的形式向外传播。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。
据介绍，喷流是宇宙中一种相当普遍的现象，也是近年来研究的热点，2020年度邵逸夫天文学奖的得主罗杰·布兰福德，正是在相对论性喷流的形成领域作出了杰出贡献。“以前收集的信息多是更大尺度上的，科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。而对黑洞的偏振成像，就能助天文学家一臂之力。”EHT合作成员、中科院上海天文台研究员路如森表示。
图说：中科院上海天文台研究员路如森介绍最新成果 记者 郜阳 摄
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通常只有太阳系般大小星系中心区域发射出来的，也不知道物质究竟是如何落入黑洞的。M87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理论工作组协调员杰森·德克斯特解释，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。
值得一提的是，在黑洞强引力的作用下，周围的气体就会向黑洞下落，在距离黑洞几倍到几万倍事件视界的地方形成一个发光的“腰带”——吸积盘。袁峰介绍，这次偏振成像也基本推断出了黑洞吸积盘的模型。
资料图：世界首张黑洞照片 来源/EHT
“冲洗”照片两年复两年
正式给黑洞“拍照”，是四年前春天的事儿了。“摄影师”共有八位：从智利阿塔卡马沙漠到南极冰原，从西班牙的高山到夏威夷的海岛，八台射电望远镜连接起来，创建了一个总口径等效于地球直径的虚拟巨型望远镜，它的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。
“冲洗”黑洞难不难？当然难，否则从拍照到首张照片发布，何需两年。这其中，黑洞阴影的“小”、技术要求极高的观测波段和复杂的数据处理是横在科学家面前的三座大山。那为何在得到黑洞照片后，获取黑洞偏振影像又要花两年？
“首先，黑洞周围光的偏振强度比较弱。再者，EHT会同时采集两路信号，不可避免带来串扰，我们称之为‘偏振泄漏’，这是一个非常小的干扰量，标定并排除这一因素非常困难。我们的大部分工作也是围绕这一点展开的。”EHT合作成员、中科院上海天文台副研究员江悟表示。
这些问题处理难度之大是前所未有的。甄别并去掉混在一块、与目标源偏振辐射强度相当的“偏振泄漏”，黑洞的偏振影像又花费了近两年时间“冲洗”。
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