2019年，天文學家們震驚了世界，他們發(fā)布了一張史詩級的圖片，照片中可以看到物質圍繞著距離地球5500萬光年的M87星系核心的超大質量黑洞旋轉。天文學家們將地球周圍的射電望遠鏡連接起來，創(chuàng)造了“事件視界”望遠鏡，這是一個虛擬的、模擬了地球大小口徑的望遠鏡，實現(xiàn)了這個驚人的觀測。

更多的觀測還顯示，即使環(huán)本身的形狀和大小相當穩(wěn)定，黑洞周圍的物質亮度仍然發(fā)生了變化。這些都有助于天文學家了解物質進入黑洞的最后一躍前發(fā)生了什么。

M87星系有一股強大的物質噴流從其中心黑洞噴發(fā)而出，噴流由即將落入黑洞的物質產(chǎn)生的巨大磁場提供動力。來源：NASA, ESA, 及 the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); 致謝: P. Cote (茨伯格天體物理研究院) 及 E. Baltz (斯坦福大學)

通過無線電波可以觀測到物質漩渦發(fā)出的光，它們遠遠超出我們的眼睛所能看到的范圍。這種類型的光不是由物質發(fā)熱產(chǎn)生的——盡管物質的確是令人難以置信的高溫——而是因為物質中嵌入了強烈而復雜的磁場。雖然這個圖像令人震驚，但它并沒有告訴我們太多關于磁場的信息，磁場是驅動黑洞周圍大量力學活動的力量。

但到今天，已經(jīng)有三篇相關論文出版了。利用事件視界望遠鏡的數(shù)據(jù)，天文學家能夠繪制出來自物質的偏振光，這是研究磁場的關鍵。

M87星系中心超大質量黑洞周圍物質的實際圖像，顯示了來自拋射物質的偏振光方向。這是由物質磁場造成的，它促成了大部分物質的拋射。來源：EHT

光可以被認為是一系列把能量從物體上帶走的波。通常這些波的方向是隨機的；如果你把它想象一根吉他弦，你可以撥動它，它會上下、左右，或向任何方向震動。

然而，有些現(xiàn)象發(fā)出的波是整齊的——就像彈吉他時，弦都是水平振動的。以這種方式排列的光波稱為偏振光。你們可能已經(jīng)了解過這個概念：從金屬或玻璃上反射的光可以是偏振光。偏振光太陽鏡有濾光片，濾光片中的分子都是朝一個方向排列的，這樣當水平表面反射的偏振光透過太陽鏡時，它就會被擋住。只有與分子對齊的偏振光才能通過。

等離子體中的磁場（一種從原子中剝離了一個或多個電子的氣體）也能引起偏振光的發(fā)射。電子以接近光速的速度繞磁力線旋轉，當它們旋轉時，就會發(fā)出稱為同步輻射的光。這種光在自旋方向上是偏振的，偏振的強度可以用來測量多種關于等離子體和磁場的現(xiàn)象。

黑洞周圍的物質形成了一個圓盤，我們可以看成一個光環(huán)圍繞著黑洞（黑洞遠側的圓盤是可見的，因為黑洞強烈的引力使它向上彎曲并朝向我們環(huán)繞）。來自光環(huán)的偏振光與光環(huán)本身是平行的，這表明磁場從黑洞向邊緣圍繞著光環(huán)（這種磁場被稱為極向場，我覺得很有趣）。

測量這種極化顯示黑洞附近的磁場相當強，實際上磁場有助于將物質保持在圓盤中的內邊緣，并暫時減緩部分物質落入黑洞。他們測量了物質落入黑洞的速率，大概是每年0.0003-0.002的太陽質量。這聽起來可能不算多，但事實上，這意味著在這個范圍的上限，黑洞每年要多消耗兩顆木星的物質。

或者，你傾向這樣的描述：黑洞一天兩次吞入相當于地球的物質。

（突然驚慌并且尖叫著原地跑圈）

這是非常驚人的。他們還發(fā)現(xiàn)磁場的強度大約是1-30高斯，或者說大約是地球磁場強度的2到60倍。聽起來可能不算多，但它的作用范圍很廣，至少有幾千億公里。磁場的威力也非常巨大。

武仙座A是一個相對較近的活動星系的例子，它的中心有一個黑洞，吞噬物質同時噴射出大量的輻射和物質。圖源：NASA, ESA, S. Baum and C. O'Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

事實上，像這樣的黑洞可以把物質和能量的光束發(fā)射到遠離星系盤的地方，天文學家稱之為噴流，這些噴流非常強大，可以延伸數(shù)十萬光年，遠遠大于整個星系。這種噴流的能量簡直讓人震驚；光是噴流物質的動能（它的運動能量和使它加速所需的能量）就可以是太陽發(fā)出能量的數(shù)十億倍！

我們知道這些是磁性現(xiàn)象，是由吸積盤的內部磁場扭曲成龍卷風一樣的漩渦引起的，但不清楚這是怎么發(fā)生的。通過測量黑洞附近的磁場特性，天文學家將深入了解這些奇怪而可怕的強大特性。M87有這樣的噴流（由于相對論效應，我們只看到一個大致朝向我們的噴流），新的研究中也對它進行了分析。

M87超大質量黑洞的放大圖片（從上到下）：哈勃的圖像呈現(xiàn)了全局景觀；ALMA天文臺觀測顯示，整個噴流中都有偏振光；VLBA顯示了內部噴流中的偏振光，而事件視界望遠鏡觀測到了黑洞吸積盤中的偏振光。圖源：EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal

測量光的偏振是一個極其困難和艱苦的過程，這就是為什么這些觀測結果現(xiàn)在才公布的原因；分析這些數(shù)據(jù)所花的時間要比制作我們兩年前看到的圖像長得多。但是這些數(shù)據(jù)中包含的信息值得付出努力和等待。

對我來說，這個特殊黑洞的實際數(shù)據(jù)和機制，盡管非?？幔⒉皇亲钣袃r值的。真正有價值的是我們知道了自己能做到這一點。這是一項非常困難且有開創(chuàng)性的工作，但它是可以做到的。還有更多的黑洞可以通過這樣的方式研究，包括人馬座A，這個銀河系中心400萬太陽質量的龐然大物。我們可能需要更大、功能更強的射電望遠鏡，還可能需要更強大的計算機處理能力。但現(xiàn)有的觀測表明，這是一個技術問題、一個能解決的工程問題，而不是物理問題。

我們可以窺視數(shù)百萬光年之外的物質，篩選特定種類的光，并利用這些信息更好地了解一個65億倍太陽質量的黑洞對現(xiàn)實空間結構的影響。我認為這是非常值得知道的。

作者: Phil Plait

FY: Roci

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