“甜甜圈”变“曲奇”,黑洞图像“上新”
2021-03-25 上海

青年报·青春上海记者 郭颖

2019年4月10日,布鲁塞尔、圣地亚哥、上海、台北、东京和华盛顿全球六地同步召开新闻发布会,公布了事件视界望远镜(EHT)“拍摄”的世界第一张黑洞图像。昨晚10点,EHT合作组织成员中国科学院上海天文台再次宣布:黑洞换“头像”——全球天文学家对M87黑洞进行了偏振成像,“甜甜圈”变“曲奇”。

与原图的区别:发光区域有表征偏振的细线

EHT部分成员。

为了观测M87星系的中心,世界各地的8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——事件视界望远镜(EHT)。

此番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。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。

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。这使得研究团队能够直接观察到黑洞的阴影以及环绕的光环,新的偏振图像清晰地显示出该光环是磁化的。昨天,EHT合作的两篇论文正式发表在《天体物理学杂志通讯》。

2019年4月10日科学家发布的有史以来第一张黑洞图像,是一个明亮的环状结构及其黑暗的中央区域——黑洞的阴影,有点像“甜甜圈”。昨晚发布的黑洞偏振图像,乍一看跟原图没啥区别,仔细看,发光区域有表征偏振的细线,更像是“曲奇”。

黑洞新图像“曲奇”。

事实上,这张图像跟第一张黑洞图像的来源是同一次观测。先来科普一下,什么叫偏振?偏振是描述电磁波振荡方向的属性,电磁波在与其传播方向垂直的平面上沿着电场和磁场两个方向振荡,而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的。光是一种电磁波,探测光的偏振信号有助于了解光在产生和传播路径上受到的电磁场的影响。

拍摄黑洞偏振图像的意义在于,可以帮助科学家推断黑洞喷流如何形成,还有就是可以帮助推断吸积盘模型到底是磁场为主导的,还是引力为主导的。

这一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至为关键。

“这一结果并没有出乎我们的意料,但是科学就是‘看到才算’。” 上海天文台台长沈志强表示,较之第一张黑洞图像,这次的黑洞偏振图像,面对的虽然是同一个目标,同一组数据,但是对数据进行了更深度的挖掘分析,“从中我们进一步确认了,图像中的光环来自黑洞边缘热气体的同步加速辐射。”

EHT偏振测量工作组协调员、荷兰拉德布德大学助理教授莫妮卡·莫西西布罗兹卡说:“我们找到了一个关键证据,可以解释黑洞周围的磁场行为,以及在这个密度非常大的空间中的物理过程,是如何驱动尺度远超星系本身的强大喷流。”

偏振图像面世花费了近两年时间

上海科学家解读黑洞新图。青年报·青春上海记者 郭颖/图

据介绍,拍摄黑洞偏振照片的难度在于:偏振特征本身就比较弱,且偏振辐射在每个小尺度局部区域都是不同的,但若是没有足够的分辨本领探测这些区域内偏振辐射的话,观测到的偏振特征就会由于不同区域的叠加效应而被削弱。

第一张黑洞图像发布后,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。

“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第一张黑洞图像背后的物理,这在以前是不可能的。”同为EHT偏振测量工作组协调员、西班牙瓦伦西亚大学GenT杰出研究员伊万·马蒂·维达尔解释说,“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。”

偏振测量可以让天文学家绘制存在于黑洞边缘的磁力线。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。

据悉,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。

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。

EHT合作成员、上海天文台路如森研究员说:“黑洞的偏振成像结果对理解黑洞周围的磁场及物理过程非常关键。”EHT合作成员、上海天文台江悟副研究员补充道,“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。”这也可以理解为什么在首张黑洞图像出炉后,偏振图像的面世又花费了近两年的时间。

来自全球多个组织和大学的300多名研究人员参与了这项研究。中国科学院上海天文台牵头组织协调包括8位台内研究人员在内的国内学者参与了此次的EHT合作。

科学家们期待未来的EHT观测能更准确地揭示黑洞周围的磁场结构,并了解更多关于这一区域热气体的物理性质。

青年报·青春上海记者 郭颖

编辑:张红叶

来源:青春上海News—24小时青年报

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