#黑洞是如何形成的# 黑洞偏振照片发布!中科院上海天文台深度参与研究「中国科普博览」

北京时间2021年3月24日晚10点,曾成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜(EHT)合作组织,又为揭秘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(图1)。

图1.(上)偏振光下M87超大质量黑洞的图像,图中线条标记了偏振的方向,它与黑洞阴影周围的磁场有关。(图片版权:EHT合作组织)

偏振片只允许特定方向的偏振光通过。下面这个动画显示了黑洞偏振图像在通过一个偏振平面不断旋转的偏振片后的变化。(视频版权:EHT合作组织)

大家还记得2019年EHT发布的首张黑洞照片吗?

图2. 2019年EHT发布的首张黑洞照片(图片版权:EHT合作组织。)

对比下这两张照片,是不是这次的新照片看起来清晰度更高一些?难道是EHT升级了望远镜阵列,像手机升级摄像头一样,提高了像素?并非如此。我们看到的新照片,其实与首张黑洞照片来自于同一批成像观测,但是这张“照片”是通过处理偏振信号获得的,所以我们称之为“黑洞在偏振光下的影像”。

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。该结果对理解距离我们5500万光年的M87星系如何产生能量巨大的喷流十分关键。

那么,什么是偏振呢?让我们从头说起。

什么是电磁波的偏振?

偏振(也称极化)是横波的一种属性,指横波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质。光是一种电磁波,由耦合振荡的电场和磁场组成,而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的。在自由空间里,电磁波是以横波方式传播,即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向(图3,上)。按照常规,电磁波的“极化”方向指的是电场的振荡方向。

图3. (上)电磁波传播示意图。(下)非偏振的入射光经过线偏振片后成为线偏振光,再次经过四分之一波片之后变成(从接收端看)左旋圆偏振光。

如果电磁波的电场只在一个方向上振荡,则称为“线偏振”。若随着电磁波的传播,电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转,并且电场矢量的矢端随着时间勾绘出(椭)圆型,则称此电磁波为“(椭)圆偏振”;对于这两种情形,又可按照电场矢量旋转的方向分为“右旋(椭)圆偏振”和“左旋(椭)圆偏振”。

一般生活中的光,比如太阳光、白炽灯光等,振动在各个方向是均匀分布的,称为非偏振光。偏振光的产生可以通过多种方式实现,常见的方法是让非偏振光通过一个偏振片,只让沿着某特定方向偏振的光波通过。而线偏振光经过四分之一波片后可变为椭圆偏振光,并在特定角度下(当线偏振光的振荡方向与波片光轴方向成±45°时)变为圆偏振光(如图3,下图所示)。

为什么EHT能拍摄到黑洞边缘的偏振?

在射电天文领域,我们接收到的大部分天体信号是偏振光,例如黑洞产生的喷流,其射电波段的辐射对应的主要是相对论性电子(速度接近光速)在磁场中沿弧形轨道运动时所发出的光,专业名词称作同步加速辐射。

由于偏振辐射是个包含大小和方向的矢量,通常在小尺度致密区域探测到的偏振辐射比较明显,接近真实的情况,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叠加效应而被削弱。

此外,由于不同致密区域的法拉第旋转等效应,即指在磁化介质中偏振的方向会发生旋转,会削弱偏振特征,也会造成在黑洞边缘区域难以探测到明显的偏振。值得注意的是,法拉第旋转效应所造成的偏振方向旋转的幅度跟波长的平方成正比,即波长越短,旋转幅度越不明显,其偏振的特征越不容易被削弱。

此次EHT能够拍摄到黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像,主要归功于两点:一是EHT的高分辨本领,让科学家们能够分解开这些致密区域;二是观测波段在短毫米波段,从而大大削弱了法拉第旋转效应的影响。

怎样拍摄黑洞偏振图像?

此次获取的M87黑洞偏振图像与首张黑洞照片来自于同一次成像观测(Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019)。EHT在为黑洞进行拍照观测时就充分考虑到了偏振成像(江悟等,2019),因此,在接收和记录电磁波信号时,已将能恢复电磁波偏振信息的两路正交偏振信号采集并记录了下来。

为了获取2019年4月10日宣布的首张黑洞照片(总强度图),需处理各个台站间相同偏振方向的互相关数据。而为了获得此次发布的偏振图像,则更加复杂,还需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理,其中的难点在于对台站偏振参数进行校准。所谓台站偏振参数,指各个台站实际接收偏振信号时,原本期待接收两路“干净”的偏振信号,但实际上接收的其中一路偏振信号,难免会“掺杂”有另一路偏振的信号。

图4.本文作者及合作者于2019年7月15日至19日在位于德国波恩的马普射电天文研究所进行的EHT偏振校准工作会议期间合影。这次会议主要是针对M87偏振观测数据的校准及成像。(照片来源: E. Traianou/马普射电天文研究所。)
为了能及时对M87黑洞进行偏振成像,在首张黑洞照片发布后的第3个月,EHT合作组便在位于德国波恩的马普射电天文研究所举行了为期一周的主题为偏振校准及成像的工作会议(图4,上)。

如今回想起来,当时会议过程也是一波三折。由于一开始用预选的校准源来对M87的偏振数据进行校准测试,并没有得到预想的结果,大家都开始担心起来。直到会期中间,替换了另外的校准源,且直接用M87的观测数据本身做偏振校准,结果不同的小组利用不同方法都可以得到比较一致的初步结果(图4,下)。大家这才发现,由于预选的校准源偏振结构复杂,并不适合用作校准源。这时大家才放下心来。后来,又经过长期的工作和反复讨论,才最终敲定黑洞偏振图像的结果(Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021a)。

偏振图像可以告诉我们什么?

EHT在事件视界尺度上对M87超大质量黑洞周围的偏振辐射进行的成像,可以用来探测黑洞附近磁场和等离子体的性质,从而理解黑洞如何“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流(Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021b)。

观测发现黑洞图像的线偏振度较低,表明偏振结构在比EHT的分辨本领更小的尺度上被扰乱,这或许是由黑洞周围辐射区域内局部的法拉第旋转所造成。同时,图1中的线条(偏振的方向)所展示的图案意味着该辐射区域存在有序的磁场结构。

通过与广义相对论磁流体动力学理论模拟生成的大量黑洞偏振图像的定量比较,研究团队发现,只有以强磁化气体为特征的理论模型才能解释在事件视界看到的情况并产生足够强的相对论性喷流。这些成功的模型可进一步推断M87中黑洞的物质吸积率的大小(即黑洞吞噬物质的快慢),即每千年吞噬0.3到2倍太阳质量的物质。这些结论大大加深了我们对黑洞周围物理环境的理解。

下一步和未来

从观测上直接接近黑洞的边缘,从而在几个史瓦西半径的尺度上不断探索黑洞周围的时空特性和物理过程,这代表着人类认识宇宙手段的一大突破。

然而,目前的EHT阵列中,望远镜数目仍然较少,基线覆盖还比较稀疏,尤其是,由于银心黑洞受到星际散射的影响以及相比目前成像所需时间(数个小时)要快得多的结构变化,成像并非易事。

鉴于此,EHT合作在M87黑洞首次成像后,提出了下一代EHT计划(即next generation EHT, ngEHT),计划在近10年内完成。ngEHT计划通过在地球上布设更多的亚毫米波望远镜、增加观测灵敏度及频率覆盖等来提升黑洞成像的质量并提供更多观测信息,尤其是要提升成像速度以进一步制作黑洞“动画” (Blackburn et al. 2019)。

同时,国际上也在探讨、预研空间亚毫米波阵列(Haworth et al. 2019),以此进一步提升黑洞成像的质量及效率。

由于地球的自转,东亚地区的台站将会是拍摄黑洞动画所需的成像接力中不可或缺的部分。目前,日韩等都已在积极致力于这一国际努力。例如,韩国目前正在平昌建设新的亚毫米波望远镜,有望在未来几年内加入EHT阵列。实际上,由于中国幅员辽阔并且存在优良的亚毫米波望远镜台址(如西部地区),若是在这些地区布设亚毫米波望远镜的话将会提供黑洞成像/摄像所需的独特基线覆盖。

如果说我们目前已经积极参与到黑洞成像这一国际合作项目的话(路如森等,2019),在黑洞成像/摄像开展得如火如荼的今天,笔者不禁思考:我国何时才能拥有一台真正属于自己的亚毫米波(VLBI)望远镜甚至一个阵列?

希望这一天离我们不太遥远。
#微博公开课# #微博新知博主#

嘿嘿。这个相框好合适我产品啊!感觉银银一定会阴阳小少爷这讲究那讲究的嚼不得菜根啊娇里娇气
(想起来那个,杉:银时你不抽烟吧省了不少钱吧。。欸银时你宾利呢)
杉暗杀开始的时候问银,一个怎么怎么纵横宇宙翻云覆雨,一个怎么怎么一事无成一般小纯良市民(事业型女强人和他不器用的男人(不是。
但是银还是有自信说,(即使我自己邋邋遢遢浑浑噩噩)我不认同那家伙选择的道。。。

孤独是接近自己的一个点,但人们却千方百计地避免孤独。为了避开孤独,人们寻找朋友、投身科学、加入组织、皈依宗教、倡导和平、保护环境、创造娱乐、酗酒吸毒、接近自然等。为了避开直面自己,人们可谓用尽手段,用尽心思,他们近乎挣扎般地逃开自己。

外在的世界任何一物,一花一草,一树一木,都是逃开自己的借口。对外在事物感兴趣是避开自己的最直接正当的借口,赞赏或认同一样事物是避开自己的最合理的借口,而讨厌、仇恨或不喜欢——是用另一种对事物感兴趣的方式来避开面对你自己。本来外在的事事物物,都是用来引你回到你自己的,结果却处处成了避开你自己的存在。

人们不能忍受孤独,每当他们来到那个孤独的点上,他们都千方百计的避开,用歌唱,用诗句,用艺术,用创作活动……避开面对他自己。但逃离孤独让人无法安静,逃离孤独让人更加孤独。逃离孤独,你将有不可消除的孤独。

怎样才能不再孤独呢?怎样才能永不再有孤独感?那就是面对你自己。孤独的时刻,当你没有逃离,当你直面自己,当你看清自己、认识到自己、爱上自己时,你的孤独将消失了。一旦你勇敢一点,穿越孤独走向你,一旦你成为了那个感到孤独的你,你的孤独将永远消失了。将再也没孤独,你将是一个再也不需要外物、他人或世界的人。因为你不需要它们,你拥有了所有,你由小孤独变成了大孤独——你成为上帝一般的,你永远不再寂寞。

孤独是一个接近自己的点,每当孤独的时刻,意味着你在靠近你自己,意味着你有可能认识到存在和生命的真相。如果你没有逃开,那么你将很可能有了不起的发现和收获,一旦你逃开,很遗憾,你再一次错过见证自己与真相的机会。当你避开一次孤独,下一次孤独还会到来,以你更加不能忍受的方式。孤独是头脑自身的寂寞,当孤独到来,不要逃开你自己,上头脑的当。

孤独是一个接近真相的契机,它是一扇朝向开悟的大门。所有的开悟者,都是从物质的世界上抽回了他们自己,他们接近孤独,越来越孤独……然后他们来到了一“点”,到达了孤独的极致——他们碰见了自己……然后他们看到了真相。

然后,他们从“孤独”这扇狭小的门里,挤进了广阔的宇宙中。然后,他们开悟;然后,他们成道了。看,孤独是一个引领,它带你走向存在,它带你觉悟、回归。如果孤独时你不逃避,你有机会认出上帝的脸,你有机会成道。但如果你再一次逃开了——不管借着什么样的理由,以什么为引流,你都将再一次错过大道,再一次等待孤独的侵袭。

事实上,每个人本真上是孤独的,说你孤独,是因为:你的世界只有你。你与你世界的真相是:整个世界就一个人,无论有再多的人处在你的周围。当你认识不到真相,当你渴求不孤独时,孤独就到来了。而当你认识到真相,你发现你的世界从来就不是你一个人——世上所有的万物,都以你的方式来面见你。它们一直在你的世界,即使你排挤它们,你也排除不了你的世界。

花朵在那儿,小鸟在那儿,海棠树在那儿,向日葵在那儿,你家的小狗在那儿,邻居的鸡在那儿,你的家人,你的朋友,还有你自己……一切都在那儿。它们都也不曾离开过你,只是你离开了它们。当你感到孤独,不是别人离开了你,而你离开了别人。你意识到,你是孤独的生产者吗?你在创造你的孤独,以及你孤独的世界,你注意到了吗?

我从没有孤独感,我视孤独为朋友。当孤独感到来时,我总是感到它冷漠的热情。孤独是一面镜子,它总是让我看到我,我多么喜欢孤独啊,它让我看到我呢。孤独的时候,上帝从那面镜子中露出它的脸,而它的脸就是我的脸,通过它我认识到我自己。我热爱孤独,就像热爱世上的任何一样事物一样,如果我有孤独存在的话。

当我孤独时,孤独是什么?孤独仅仅是一个让我意识到我独自一人的念头。孤独在告诉我,我似乎在缺点什么,或我需要点什么,而经我仔细检查后,我发现我什么也不缺。孤独把我带进了幻象,而我又把自己带了出来。每当我感到孤独时,那意味着我进入幻象了,我在要我没有的东西。

孤独是一种提醒的声音,它告诉我,“喂,伙计,你离开了当下,你在要现实存在没有的东西,你在和你的实际对抗。”嗯,每当我听到它的声音,立刻,我回到我的当下,我安住在我的现实存在,我让我的心与整个世界保持一致。如果说我的世界是和谐的,那我的和谐是怎样创造的?就是这样创造。孤独带给我很多好处,它首先把我带向安宁和谐。

我热爱孤独,它是个友善的朋友,正像我邻居的大娘送给我的大白菜一样,它是能食用的。只不过,白菜给我的胃吃,孤独由我的心吃了。但它们同样,是我生命中的一顿大餐,不可缺少的元素之一。只是我很久没碰见过孤独了。这位老朋友不知藏匿何处了。

我呼唤它的到来,但当我呼唤它时,我却融入了高朋满座的世界:我的小院,树上的鸟,到我家串门的猫,淌着水的管子,冒着蒸汽的锅,响起来的手机,唱着歌的电脑……整个世界虽然静悄悄地只我一个,但孤独这位老朋友还是没有来造访我。当孤独到来时,你不要逃避,穿过孤独的点,孤独就永远的消失了。这是我的经验。孤独消失后的世界,是万有喜悦存在的世界。

孤独是金子做的,它吸收你的热量,它看起来冷漠,触起来热情,当你把热情给予孤独时,孤独有永不消散的温度。世上的觉者都喜欢孤独,但在他们觉悟之后寻找孤独,孤独却不见了。他们很想感谢这位引领他们到达道上的老师,可是它却藏匿无影无形。

孤独是永恒的指引者、引路人,如果你要想到达道,达成觉悟,必须由它带领,没有它带领,你无法走近真相的门。孤独是一条幽幽长长的路,一条必须由你自己走,不能有伴的路,当你来到这条路的尽头,你将看到那热情极致的新娘,正是她的光,把你接进存在之门,让你领悟存在之道,获得喜悦处处的自在世界。

我爱孤独,它是令我怀念的情人。回想那些冷暗的夜晚,是它忠贞不移地陪我苦度夜宵,陪我咀嚼寂寂苦味的橄榄。孤独会唱歌,它总借着我的喉咙,在寂寞的时候,我喜欢我们合作歌唱。用我的喉咙唱它的情歌,而那情歌我很爱听,这是多么美妙的事情。

怀念逝去的孤独,但现在连它的灵魂也找不到了。抱着大千世界当它的骨灰盒,长歌当哭,我喜悦的祭奠它。孤独是一萍踪影,它总影印我的形。爱它时我爱自己,孤独成为我遇到自己的媒约,孤独是我和自己结婚的媒人。我爱孤独,这冷漠的人儿暗藏热情。

你孤独吗?孤独是一杯发凉的姜汤,看起来凉,喝下去热。当你看到这凉热的姜汤,不要拒绝它,端起来喝下,让温热在你的肚里发生。让孤独冰凉的手伸进你的怀中,它冰冷的手可以为你创造热,孤独的按摩让你的心不再寂寞。孤独有很多好处,当它来访你的心,不要像赶你讨厌的一只小狗一样,把它赶出家门。

当你赶那小狗时,注意看那小狗的嘴里是不是还衔着一枝玫瑰花?孤独的正面像个老太婆一样的令人讨厌,但它的背面却像个美妇一样还充满几分诱惑,学会欣赏事物的美,把它不美的避过。而事实上所有的事物都美,不美只存在于你心的某个角落。

孤独是一首被上帝写出的丢进纸篓里的诗句,但它必由充满热情的人来朗读。热情的人朗读冷漠的孤独之诗,孤独也着起火来。把你的热情给孤独,让孤独变成一束火。当孤独燃烧了,你的世界就亮和热了。孤独消失的时刻,是心复活的时刻。孤独是头脑的自怜,当头脑融进了心,孤独就再无处藏躲。当头脑毁了,孤独就再也不会产生。

修道是破坏你的头脑,当你的头脑打破它的圈,孤独便没了自我。没有头脑的圈圈时,也没有孤独的自我。孤独是自我看到了自己灯光下修长的暗影,而整个世界除了它再也没有一个人。孤独是对真相的呼唤,孤独是于清冷中喊出的需要伴侣——你自己的歌。孤独是无声的呐喊,它喊的是认识真相、认识自己的渴望。

亲爱的朋友,孤独正向你走来么?我正走向孤独么?不要逃避它,迎着它,与孤独相约。孤独是个表面冷漠内心热情的女郎,孤独是个觉悟的不起眼的隐藏在乡间大师,孤独是照耀你真实面目的镜子,当你相遇孤独,不要逃避它,跟它而去,让孤独带你到你该去的地方。让孤独给予你它能给你的,接受孤独准备给予你的它愿给的。空旷的世界,与孤独相逢,认出你自己。

被孤独引领,穿越自我之门,到达自由之城,完成觉悟的旅程。开始孤独在你的后面,后来孤独在你的左右,当孤独不见了时,你完成了与自己的会晤,你永与自己在一起,你再也不需要你之外的一切,你真自由了,藉借孤独的引领,你到达了觉悟的点。谢谢孤独,它领你回家的路;祝贺你,你到家了。

觉悟后,回望以前的路,孤独多么值得感谢啊,它是你多么忠情、真诚、坚定和具有爱心的老师、伴侣和情人呀。穿越孤独,回首孤独,孤独带给你很多,孤独带给你的其它无法替代。

爱孤独吧,孤独是一种矿藏,它可让你掘出金、挖出银,打造出各类你所喜欢的金器、银器。孤独是一种锻造,它把你的存在中虚妄的不是真货的部分锻造掉,留下纯粹的金银一样的你。热爱孤独吧,孤独是个淬取你心中真金的绝好的冷火锻打机会。在孤独的历练里,愿你成金,成银,成器。

——觉醒行者


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