时隔两载“黑洞”翻新：人类首次获得黑洞边缘的高清照片

作者：刘冰一

编辑：维克多

2019年4月份，国际组织事件视界望远镜（EHT）发布了人类首张黑洞照片。时隔两载，EHT组织宣布获得了黑洞的最新照片。

图注：左为第一张，右为更新版

与第一张图片相比，这张新的黑洞靓照包含了更多的信息：环有条纹，是光线强偏振的证明。虽然从感官直觉上，这两张图片相差无几，但从科学的角度来审视，最新的图片为人类提供了一个认识黑洞的全新视角。

据事件视界望远镜（EHT）合作组织，这是天文学家第一次在接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。

对此，专家解读：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。

换句话说，这张图片对人类了解黑洞的形成现状，以及对其引发的宇宙现象的研究，都有着极高的科研价值。

据悉，这是人类史上获得的第三张黑洞图片，也是更加清晰、包含内容更丰富的一张。

人类史上有三张黑洞图片

黑洞的第一张图片，是来自人类科学家对大约5500万光年外的M87星系中央洞的首批探测结果。

图注：位于M87中心的特大质量黑洞。这是由事件视界望远镜所成像、发表于2019年4月10日，是人类史上第一张直接对黑洞观测的天文影像。

为了获得这张图片，科学家们调动了全球从两极到赤道共8个天文台的力量进行图片数据拍摄，之后，又有来自全球的62家科研机构共同参与了照片的合成。整个项目耗时近三年，可以说是倾“全人类之力”完成的一件壮举。

观测黑洞的利器是一个虚拟的类似地球大小的望远镜——EHT，它是由世界各地的8台望远镜连接起来而组成的。

其能够让人类具备站在地球上准确寻找月球上的一枚硬币的能力。也让研究团队能够直接观察到黑洞的阴影以及环绕的光环。

值得一提的是，上述 8 个射电望远镜不全是单一的望远镜，其中包括望远镜阵列，比如位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵由 70 多个小望远镜构成。

一年之隔，天文学家们又公布了全球第二张黑洞照片——2017年4月拍摄到的 55 亿光年外的类星体 3C 279 中央核心及其喷射流起源的图片。

2021年3月24日，事件视界望远镜（EHT）最新黑洞照片公布，在接近黑洞边缘处测得了表征磁场特征的偏振信息。M87黑洞周围的偏振光条纹揭示了强大的磁场在起作用---表征磁场特征的偏振信息。

EHT公布的三张照片都显示了 M87星系中心的超重黑洞星云周围有发光的等离子体，该星云的巨大喷射流氤氲在黑洞的轮廓。与之前照片不同，新图像中的环有条纹，是光线是强偏振的证明。

图注：光有电场和磁场，可以在各个方向上振动，偏振光只在一个方向振动。宇宙中的尘埃、等离子体、磁场等都可能把正常光转变成偏振光，光的振动方向变得有序。

专家们说，这些发亮的螺旋形条纹是由M87黑洞周围强而有序的磁场造成的，它作为重要的证据支持了一个流行了44年的喷流理论：Blandford–Znajek (BZ)过程（从旋转黑洞的吸积盘和强大极向磁场中提取能量的过程）。此理论由剑桥大学物理学家 Roger Blandford 和 Roman Znajek在1977年提出，其中提取的能量被认为是天体物理负载的能量来源。）

值得一提的是，这些空间和时间漩涡中蕴含的能量是不可思议的。其中，M87黑洞中心以超过10亿倍太阳质量的等效能量将时空旋转起来，这种能量可以将整个星系撕裂。而宇宙中存在多个此类“沉睡的超级火山”。

“M87中的黑洞大小与太阳系相当，但它产生了一个5000光年长的白热等离子体流，每秒约有3万亿兆焦耳的能量喷流，比全人类在十年内消耗的能量多500万亿倍。”

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。当时，“Blandford-Znajek过程”只是一种推测，但是新的观察结果证实了推测的合理性。“我们在图像中看到的是螺旋形的有序极化,”参与分析偏振测量的 Issaoun 说。“而且磁场的形状也是螺旋形的... ... 这意味着它能够发射一个喷流。”

图注：从 M87 中心发出的喷流。黄色的线表示喷流中存在的磁场。

此外，新的观测结果指向了“Blandford-Znajek 过程”的的两种情况之一（MAD和SANE），得益于计算机模拟技术，MAD和SANE理论已得到持续验证发展。这些相互矛盾的观点对黑洞的环境，特别是其磁场的起源和强度，描绘了截然相反的景象。

长期以来，假定磁场较弱的SANE模型被认为是更合理的。但是事件视界望远镜的新照片中的强偏振光指向了强磁场，即MAD 版本中的事件。科罗拉多大学理论天体物理学家 Alexander Chen 说：新图像似乎更支持 MAD模型。

关于黑洞喷流以及它们在宇宙中的作用，还有更多的东西需要弄清楚。其中，MAD 留下了许多未解之谜，研究人员将带着敬畏之心展开探索。

用理论寻找黑洞

1918年，Heber Curtis 观测到喷射流。这也是M87喷流是有史以来第一次被发现。

“一束奇怪的直线光，从一片模糊的光斑中心发出。”

几年后，Curtis 确认了这个星系超越了我们的银河系，以及理论上存在黑洞的可能性。Blandford 和 Znajek 花了60年才将黑洞与喷流联系起来。

20世纪70年代，史蒂芬 · 霍金和罗杰 · 彭罗斯在伦敦从事黑洞理论研究，最终他们赢得了2020年诺贝尔物理学奖。天文学家也开始认真对待黑洞，他们的观察表明，X射线天鹅座 X-1就是这样一个天体。

图注：通过无线电波可以看到，天鹅座A星系的喷流产生了巨大的星际气斑。来源：NRAO/AUI/NSF

Blandford 和 Znajek 研究重点是令人费解的双无线电源——位于遥远星系两侧的球形星斑。他们是早期正确答案的皈依者：这些球状星斑是宇宙中某一巨大黑洞向反方向喷流形成的。

图注：1974年的Roger Blandford (左)和1977年的 Roman Znajek，当时他们还是剑桥大学的年轻研究员。

天体物理学家最终证实，超大质量黑洞是确实能够锚定星系，但在当时，Blandford 和 Znajek 不仅在推测黑洞的存在，还在推测它们产生喷流的能力。

数学家 Roy Kerr 在1963年解出了一个旋转黑洞的方程式，表明当黑洞无形中转动时，会拖着时空结构一起旋转。Roger Penrose又继续证明了旋转的黑洞可以减速，并且在减速过程中，它们将旋转的能量转化为其他东西。

黑洞强大的引力会让任何靠近它的物质落入其中，形成像排水孔周围一样的漩涡，称为吸积盘。在这个过程中，气体因引力势能得到释放被加热到几百万度，以至于其中的原子失去电子，从而产生了携带磁场的等离子体。

图注：黑洞上方的光束即为吸积盘，黑洞的“视界面”上下均有吸积盘存在，吸积盘上下两侧亮度不一样，这是由于带光气体运动导致的。迄今为止的黑洞图像都是“绘制”的。

借助 Kerr 方程，Blandford 和Znajek 证明了当来自吸积盘的磁力线落到旋转的黑洞上时，会将磁力线卷成一条沿着黑洞旋转轴向一致的螺旋。运动中的磁场会产生电压，电子和正电子的电流从黑洞两侧流出，这是是喷流。

1977年， Blandford 和 Znajek 的喷气式飞机发射计划似乎在纸面上是可行的。仅仅提出这种可能正在发生的情况，就是一种进步，虽然无人知晓这手否真的奏效。

计算机时代的黑洞发现

随着80年代和90年代计算能力的提高，人们开始模拟 Blandford-Znajek 过程，但是其中涉及的每一项（转动黑洞、磁场、吸积盘中的光和物质）都是可变的，没有人知道正确方法。

2000年左右，出现了两种计算机模拟模式：一类是吸积盘主导的模型，另一类是磁场主导的模型。

起初，在80年代，研究人员在模拟中对吸积盘做了少量的磁化。在这些模型中（也就是后来的SANE模型）等离子体和一些波动的磁场线围着黑洞旋转，磁场的湍流导致粒子相互碰撞失去能量和角动量，使得它们掉进黑洞，而不仅仅是围绕黑洞旋转。随着等离子体的落入，它向黑洞输送了微弱的磁场线，磁场线逐渐聚集，并被涌入的等离子体锁定在固定了位置。最终，黑洞将这些纠缠的磁场线扭曲起来，发射出喷流。

图注：黑洞喷流引擎内部  来源：Samuel Velasco/Quanta Magazine；插图改编自 Michael o’riordan et al.

然后，在20世纪90年代后期，哈佛大学的 Ramesh Narayan 等研究人员开始加大模拟黑洞周围的磁场强度以观察随之出现的现象。研究发现，当磁场足够强时，它会变得连贯而非紊乱，并且由它控制着吸积盘。磁场线在黑洞周围形成了一个作为喷流套筒的力场，同时也防止等离子体落入黑洞。大多数情况下，吸积盘被锁定在适当的位置。这些模拟被称为“磁阻吸积盘”或 MAD 模型。

普林斯顿大学的物理学家、 EHT团队的研究MAD模型的专家 Andrew Chael 说：长期以来，人们认为 SANE 模型更自然。从远处向黑洞漂移的热气体“不是以连贯的方式落下的”，因此，没有理由认为磁性向内迁移会与气体结合成一种强有序的东西。五年前几乎所有人都在做SANE模拟。

但是，事件视界望远镜从 M87黑洞周围拍摄的偏振光的新图像坚定地指向了 MAD 方向。照片中的螺旋条传达了这样的信息: 当观察角度不同，光的振动平面会旋转，正如所预期的那样，辐射光的粒子围绕着磁场线旋转，而磁场线本身就有一个连贯的螺旋图案。

在SANE情况下，如果有微弱的湍流场，就会产生一个更弱的的极化模式。现在的情况并非是弱极化模式，偏振光的磁场是强大的：有冰箱磁铁的一半那么强，还有太阳系那么大。”

图注：对M87星系中超大质量黑洞喷出的喷气的模拟。一种被称为 MAD 的强磁性过程被认为在起作用。

黑洞解释的逆向推理

为了理解 M87黑洞(以及其他带喷流的超大质量黑洞)周围奇怪的强磁场的起源 ，专家们必须首先破解条纹状极化模式的密码。现在人们正试图逆向推理。

与此同时，研究者也在集中 MAD 研究范围。他们正在模拟黑洞周围情况，以研究恒星如何迁移到中心磁场。

采用相反的方法，三位研究人员（Sasha Philippov, Benoît Cerutti and Kyle Parfrey）正在研究喷射流中的带电粒子。他们的详细粒子级模拟需要耗费数百万小时，研究这些粒子对于计算出喷流的整体结构、以及它们对所穿透的星系和星系间空间的影响可能是必要的。

以 M87的喷流为例，我们在天空中看得非常清楚，它或打成结或连续，或笔直或轻薄。对此的研究肯定有助于我们理解它是如何与银河系和星系间介质相互作用，例如，它是如何向星系传递能量的。