扭曲的光線首次揭示黑洞M87*附近磁場

科學的目標總在不斷變化。沒有絕對完美的成就——任何新的發(fā)現(xiàn)都可能會幫助我們打開尋求理解宇宙一系列其他發(fā)現(xiàn)的大門。超級大質量黑洞M87*的發(fā)現(xiàn)也不例外。這是人類能捕捉到黑洞陰影直接圖像的首個目標——數(shù)百名科學家多年的努力才最終得到這一令人震驚的成果。

圖解：M87*直接圖像的偏振直觀效果圖。（事件視界望遠鏡合作組）圖源：sciencealert

現(xiàn)如今，科學家們在事件視界望遠鏡的協(xié)作下細致地分析了5500萬光年外流動的金色光環(huán)，并發(fā)現(xiàn)強偏振的現(xiàn)象：黑洞周圍產(chǎn)生的強大磁場使得光波流動方向被扭曲了。

圖解：事件視界望遠鏡合作組的部分望遠鏡位置，以及它們之間的長基線。（歐洲南方天文臺/L. Cal?ada）圖源：sciencealert

“這項工作是一個重要的里程碑：偏振光所攜帶的信息將有助于我們更好地理解在2019年4月發(fā)布的那張黑洞圖像背后的物理原理，這在過去是不可能的，”西班牙瓦倫西亞大學的天文學家伊凡·馬蒂·維爾達說，“在獲取和分析處理數(shù)據(jù)時涉及到很復雜的技術，為此科學家們花費了數(shù)年的功夫來制作這張偏振光圖像。”

偏振是電磁輻射里被廣為熟知的一種現(xiàn)象。光子在穿越空間時總會沿著某個固定方向震動。當光子被星際介質里的塵埃散射，或是受電磁場影響而翻轉時，其震動方向會改變，我們稱之為偏振。

圖解：太陽鏡背后的偏振原理。圖源：etradesupply

這是一個可從技術上加以利用的特性。你應該聽說過的偏振光屏幕保護膜和太陽鏡。而一旦從宇宙星體觀測到該特性，它便能幫助我們進一步了解太空環(huán)境。就M87*而言，我們了解到氣體環(huán)中磁場的形狀和結構，并且該磁場在黑洞事件視界之外圍繞著旋轉。該研究小組發(fā)現(xiàn)，從M87*圖像看到的偏振光現(xiàn)象只可能由強磁場來解釋。

“觀測表明，處在黑洞邊緣的磁場強到足夠拉住熱氣體，并幫助它抵抗引力的束縛，”科羅拉多大學博爾德分校的天文學家詹森·德克斯特說，“只有滑過磁場的氣體才能旋轉進入事件視界?！?/p>

這或可成為理解“相對論黑洞噴流”這一長期令人困惑現(xiàn)象的關鍵。

圖解：M87*的藝術想象圖，展示了相對論噴流和附近環(huán)繞的過熱物質。（歐洲南方天文臺/M. Cornmesser）圖源：sciencealert

只要超過了臨界臨近閾值，目前我們所能觀測到的任何物質都無法逃離黑洞，但也并不是吸積盤內的所有物質都會不可避免地旋流進活躍黑洞并最終消失在事件視界之外。也有很小的一部分會以某種方式進入吸積盤內部的噴射口，它們會被以等離子態(tài)并以相當接近光速的極高速度從黑洞的兩個極點噴射到太空中。

天文學家們認為黑洞的磁場在噴射過程中發(fā)揮了巨大作用。據(jù)理論預計，磁場的磁感線就像同步加速器那樣把物質加速到極高的速度。

圖解：甚大望遠鏡得到的橢圓星系M87圖像，展示了朝向圖片右側的黑洞噴流。（歐洲南方天文臺）圖源：sciencealert

我們知道M87*的相對論噴流速度可達到光速的99%。我們從M87*照片中看到的金色光環(huán)正是吸積盤的內邊界，這個獨一無二的窗口讓科學家們得以窺見此噴射過程。

“通過持續(xù)不斷地觀測獲得的關鍵證據(jù)幫助我們理解黑洞周圍磁場行為和能驅動緊湊區(qū)域內噴流遠遠拋射到銀河系外的磁場活躍度?！焙商m拉德布德大學的天文學家莫妮卡·莫西西布羅茲卡說道。

圖解：哈勃望遠鏡在紫外線下拍攝到的M87中心圖像，展示了龐大的橢圓星系M87中心噴射氣體的亮度。（美國國家航空航天局，歐洲空間局/J. Madrid）圖源：phys

研究者說，已觀測到的磁場結構既能夠產(chǎn)生M87*的環(huán)狀特征，也能產(chǎn)生能噴射到宇宙中的強大的相對論噴流。部分好的證據(jù)暫時都能適合相對論噴流形成的磁場同步加速器模型。研究小組介紹，未來的分析將會集中于靠近M87*的事件視界的噴流發(fā)射區(qū)域附近的磁場。

BY: Michelle Starr

FY: swankwi

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