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！

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：

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：

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。

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：

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：

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：

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

https://mp.weixin.qq.com/s/6qzRgQRtBGoCyalKUMkDHA

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