▲EHT最新发布的M87超大质量黑洞偏振照片
北京时间3月24日22点，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布了M87超大质量黑洞的最新照片：它在偏振光下的影像。
如果说，两年前发布的那张轰动世界的首张黑洞照片，看上去像一个温暖的橙色甜甜圈，那么这次的影像则显示出了“甜甜圈”更为细腻的结构——如同一轮逆时针旋转的烟花。
这些顺滑流畅的曲线意义重大：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M87星系如何从其核心向外传播能量巨大的喷流至为关键，为揭示M87超大质量黑洞周边性质提供了一个崭新视角。
今天，EHT合作的两篇论文正式发表在国际学术期刊《天体物理学杂志通讯》上。由中科院上海天文台科研人员领衔的国内团队深度参与了该项研究。
八名上海天文学家深度参与
M87超大质量黑洞是目前已知的最大黑洞之一，距离地球5500万光年，相当于65亿个太阳质量。虽然号称“超大质量”，但实际上这种黑洞是一类相当小的天体，以至于几乎不能被直接看到。由于黑洞质量越大，黑洞阴影越大，M87中心黑洞从地球看过去是角直径最大的黑洞之一，因此成为EHT试图捕获的一个完美目标。
2019年4月10日，由全球13个合作机构共同创建的EHT团队发布了有史以来第一张黑洞照片，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。这是迄今为止最清晰的黑洞图像。
▲从左到右，为M87星系、M87黑洞喷流、首张黑洞流量总强度照片、黑洞偏振照片
“这是一张M87黑洞的流量总强度图。”中国科学院上海天文台台长沈志强说，EHT在2017年所获得的这批图像数据分辨率达到了20微角秒——这个精度意味着，你可以在纽约阅读一份巴黎街头摊开的报纸。天文学家显然希望利用它们获得黑洞的更多信息。
此后，EHT合作组织深入研究了这批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。
2019年7月，EHT合作组织在德国马普射电天文研究所召开了偏振校准工作会议。在此后约两年时间里，天文学家们开展了艰苦的工作，开发了多种数据处理方法，终于获得了这幅最新发布的黑洞偏振图像。参与此次EHT大型国际合作项目的科研人员多达300名，其中中国大陆学者共16人，有8人来自上海天文台。
EHT合作成员、中科院上海天文台副研究员江悟回忆，工作小组每周要开两次电话会议，为了协调各国组员的工作时间，中国科学家往往需要在晚上十点到凌晨1点上线开会。最后，参与偏振校对的三个工作组分别用不同方式得到非常一致的偏振图像，如此漂亮的结果，令所有人都兴奋不已。
▲2019年召开的EHT偏振校准工作会议期间合影
“旋转烟花”所蕴藏的奥秘
从最新发布的照片来看，原先模糊的“甜甜圈”显现出了更加精细的结构——如同一轮火红的旋转烟花。
这些顺滑的曲线是如何被看见的？简言之，通过偏振测量。光是一种电磁波，当它通过某些滤光片（如偏光太阳眼镜的镜片），或从被磁化的高温区域发出来时，就会观测到偏振光。
▲就像通过滤光片观察M87黑洞
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，来得到新的信息——偏振测量可以让天文学家了解存在于黑洞边缘的磁场结构。
“常规VLBI偏振测量就很困难，EHT得到这个偏振图像更是充满挑战。”江悟解释，由于黑洞边缘辐射的偏振度不到10%，因此他们设计了多种方法，小心翼翼地消除设备和观测过程中的各种效应，才得到了目前的结果。
这些曲线代表了什么？沈志强认为，首先它透露了黑洞边缘的光是如何产生的，“我们可以推断出，黑洞周围有相对论性的气体，它们运动速度很快，相对论性电子在磁场里会产生同步辐射”，现在观测结果证明它就是来自同步辐射。
黑洞研究的又一个里程碑
对于研究黑洞的天文学家来说，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2019年4月发布的首张黑洞图像背后的物理机制，这在以前是不可能的。
“黑洞的偏振成像结果，对理解黑洞周围的磁场及物理过程至为关键。”EHT合作成员、上海天文台研究员路如森解释，过去由于观测精度不够，天文学家只能通过理论模型对其结构和强度进行猜测推导，如今则看到了关键证据。
从M87的核心喷射出来的明亮能量和物质喷流，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，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。但他们仍不清楚，比星系尺度还要大的喷流究竟是如何从只有太阳系大小的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。
这幅全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。EHT合作成员、美国普林斯顿理论科学中心研究员安德鲁·查尔说：“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。”
黑洞外缘磁场揭开神秘面纱
此次偏振观测的结果还提供了有关黑洞外缘磁场结构的新信息。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。”
这一关键证据，可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的。
这项结果的公布，令同样参与这项工作的上海天文台副台长袁峰研究员有些小小失落。原本，他的研究团队通过理论推导也得出了类似结论，可惜论文发表却比照片公布晚了一步。
▲EHT网络示意图
由世界各地的八台望远镜连接起来而创建的虚拟望远镜EHT，分辨本领相当于在地球上看清月面一张信用卡。“尽管已经能够直接观察到黑洞的阴影以及环绕的光环，但天文学家对其精度仍不满足。”沈志强表示，根据现在偏振观测结果，黑洞外缘磁场还有很多方面有待研究，天文学家需要更加清晰细致的观测结果。
目前，EHT正在通过对阵列进行技术升级和增加新的观测台站，来进一步提升分辨本领。未来，EHT观测能更准确地揭示黑洞周围的磁场结构，并告诉人们更多关于这一区域热气体的物理性质。
图片来源：除注明外，均为中科院上海天文台提供