人类首张黑洞照片公布 2 年后偏振图像也来了，这次不高糊了！
作者 | 付静
1783 年 11 月，一位英国自然哲学家、牧师 John Michell 在写给物理学家卡文迪什 （Henry Cavendish）的一封信中，首先提出可能存在一种暗天体（dark body）或暗星（dark star），其密度极大，拥有连光都无法逃逸的巨大引力。
自 John Michell 第一个提出存在「暗天体」至今，人类对这一神秘天体的探索从未停止。幸运的是，生活在 21 世纪的我们虽难知其全貌，却也看到了珍贵的黑洞照片。
2019 年 4 月，由全球 30 多个研究单位组成的事件视界望远镜（EHT）团队公布了首张黑洞照片，这张照片来自 M87 星系黑洞。
随后在 2020 年 4 月，天文学家们又公布了全球第二张黑洞照片，即一张 2017 年 4 月拍摄到的 55 亿光年外的类星体 3C 279 中央核心及其射流起源的图片。
而关于黑洞研究的最新消息是：2021 年 3 月 24 日，EHT 团队再次公布了一张黑洞照片——这是 2019 年 4 月公布的 M87 星系黑洞照片在偏振光下的影像。
有人说，人类史上第一张黑洞照片如今更加清晰了，实际上照片中的线条标记了偏振方向，与黑洞阴影周围的磁场有关。
用科学家们的话说就是：
EHT 团队为揭示这个超大质量黑洞提供了一个崭新的视角。
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何为黑洞？
了解 EHT 团队的研究前，先来了解一下黑洞。
大约在 John Michell 信中提到存在「暗天体」的 132 年后，一位你我都不陌生的物理学大牛再次预言了其存在。
1915 年，爱因斯坦（Albert Einstein）完成了广义相对论的基础，并于次年正式发表。
Albert Einstein 的广义相对论预言，在宇宙空间中存在一种天体，是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力坍缩产生的。这种天体密度极大、体积极小，引力也极其强大，强到连光线都被吸引，无法逃逸。
不久后，德国物理学家 Karl Schwarzschild 为这一预言做了精确解。
Karl Schwarzschild 通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解，这个解表明，如果一个静态球对称星体的实际半径小于一个定值（这里指著名的史瓦西半径），周围就会产生奇异的现象：一旦进入一个被称为“视界”的界面，即便是光也无法逃脱（这里指事件视界，即一种时空的界线。事件视界中，引力巨大，黑洞附近的逃逸速度大于光速，任何光线皆不可能逃脱；事件视界外，物体则不会受到黑洞影响）。
直至 1969 年，美国天体物理学家 John Archibald Wheeler 首次提出了“黑洞”的概念。
此后，黑洞的定义则是：
时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体。
2
探索黑洞，何其不易
不论预言也好，计算也罢，都无法真正感知黑洞的存在，更不必谈进一步探索。
但值得一提的是，1964 年，美国探空火箭发现了一个位于位于天鹅座方向的双星系统「天鹅座 X-1」。
天鹅座 X-1 作为一个 X 射线双星系统，包含着一个能产生 X 射线源的致密星和一颗蓝巨星。
当时，英国理论物理学家 Stephen Hawking 和美国理论物理学家 Kip Stephen Thorne 曾拿天鹅座 X-1 打赌。Stephen Hawking 赌天鹅座 X-1 并非是黑洞，但随后越来越多的观测证据摆在眼前，Stephen Hawking 也在 1990 年承认天鹅座 X-1 就是黑洞，也是人类在实际探索中发现的第一个黑洞。
通过这个例子不难看出，人类对黑洞的探索相当艰难，很大一部分原因在于黑洞无法直接被观测到，科学家只能间接得知其存在、质量大小及对其他事物的影响。
具体而言，物体被黑洞吸入之前，其引力带来的加速度会导致摩擦，进而释放出一些讯息，而这就是科学家判断黑洞存在的关键证据（雷锋网注：借由间接观测恒星或星际云气团绕行的轨迹，也能寻到一些蛛丝马迹）。
黑洞对于很多人而言，或许就像诺兰的电影，不要试着去理解，感受就好（手动狗头）。
为进一步了解黑洞，科学家们用到了一个工具——一种名为「事件视界望远镜」（Event Horizon Telescope, EHT）的由 8 个射电望远镜（射电望远镜是指观测、研究来自天体的射电波的基本设备）形成的网络，它主要尝试观测的是事件视界。
2006 年，来自全球 30 多个研究所的科学家们联合起来，发起了给黑洞拍照的计划。
雷锋网此前曾报道，这一计划之下，分布在各地的 8 个射电望远镜联合观测同一目标源、记录数据，从而形成一个口径等效于地球直径的虚拟望远镜，将望远镜的角分辨率提升至足以观测事件视界尺度结构的程度。
就 EHT 的分辨能力，中国科学院有一个生动的比喻：相当于在地球上看清月面上一张信用卡所需的分辨率。
2017 年 4 月，黑洞照片的拍摄工作完成，科学家们开始了数据处理过程。
终于，美国东部时间 2019 年 4 月 10 日 9 时，美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京同时召开新闻发布会，公开了人类获得的第一张黑洞照片。照片显示了一个明亮的环状结构，环状结构中央的黑色区域正是黑洞的阴影。
为此，EHT 团队于 2019 年 9 月获得了科学突破奖基础物理奖。
3
首张黑洞偏振图像发布
距离第一张黑洞照片公布，已过去近两年。
当地时间 2021 年 3 月 24 日，3 篇来自 EHT 团队的论文发表于《天体物理杂志快报》，论文合著者均多达数百位。
论文主要涉及黑洞边缘的偏振特性，与有组织的极向磁场有关。
对此，中国科学院表示：
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，该结果对解释距离地球 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具有关键意义。
其研究对象 M87 星系黑洞，是位于 M87 星系（即处女座）的一个巨大黑洞，其质量约有 30-60 亿个太阳的质量，与太阳系距离约 5000 万光年——当前，科学家们选定的主要观测目标便是 M87 星系黑洞和位于银河系中心的 Sgr A*（即人马座 A*）黑洞。
EHT 团队通过深入研究 M87 星系黑洞的相关数据发现：M87 黑洞周围的相当一部分光是偏振的。
偏振（polarization）又称极化，指的是横波振动矢量（即垂直于波的传播方向）偏于某些方向的一种现象。这种振动方向对于传播方向的不对称性，是横波区别于其他纵波的一个最明显标志。
据上海天文台介绍：
在射电天文领域，我们接收到的大部分天体信号是偏振光。不过，由于偏振特征会由于叠加效应被削弱，且在黑洞附近的致密区域里，光深通常也会影响偏振程度。
上海天文台认为，EHT 能够拍摄到 M87 黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像，主要原因在于：
EHT 的分辨本领高，能够分解开致密区域；
观测波段在短毫米波段，从而大大削弱了偏振程度所受到的影响。
雷锋网注意到，EHT 团队成员、上海天文台副研究员江悟表示：
常规 VLBI（甚长基线干涉技术）偏振测量存在困难，EHT 得到这个偏振图像更充满了挑战。所以在首张黑洞图像出炉后，偏振图像的面世花费了近两年。
无疑，这一科研成果再一次加深了人类对黑洞的认知。
引用来源：
https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole
http://www.cas.cn/syky/202103/t20210325_4782275.shtml
https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205
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