#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。
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吴晓明,复旦大学哲学学院教授、博士生导师,复旦大学本科生院院长。国务院学科评议组成员、国家社科基金评审委员、教育部教学指导委员会(哲学)副主任委员。担任全国国外马克思学会会长、全国马克思主义哲学史学会副会长、上海市哲学学会副会长等。
张双利,复旦大学哲学学院副院长、教授、博士生导师,复旦大学当代国外马克思主义研究中心副主任。入选“上海市社科新人”“教育部长江学者项目青年学者”。
李冉,复旦大学马克思主义学院院长、教授、博士生导师,马克思主义研究院院长。曾获上海市阳光学者、上海市浦江人才、上海市曙光学者、上海社科新人等称号。

五一假期呆在家里,我追了剧集《亲爱的小孩》。看了男主角肖路(秦昊饰演)在剧中各种不靠谱,真是气不打一处来。难怪他现实中的老婆伊能静,都忍不住下场怒怼:“秦昊,你怎么可以这样对你老婆?”不出所料,剧中肖路和方一诺(任素汐饰演)这段婚姻很快就离婚收场。其实,虽然肖路不靠谱,但是夫妻二人还是有一定感情基础的。咋就走到了不可收拾的地步呢?这个时候,不妨从经济学角度去分析婚姻,你就能理解,剧里这两人为啥需要挂科重修了。剧一开头,方一诺正在咬牙生产。肖路却悠哉游哉回家,开电视,吃水果。看着都不靠谱。生孩子前,肖路信誓旦旦表示孩子全由他照顾;结果孩子闹夜的时候,他睡得如死猪一般,叫也叫不醒。可以说,他许下的承诺基本没兑现。但说实话,一开始肖路还是有想帮忙的心。他去买鱼想给老婆方一诺催奶,却把鲫鱼错买成鲱鱼。回家后,被方一诺一通嫌弃:“干不明白非老抢着弄。”一句话,就把他的热情彻底浇灭。通过这些小细节,可以窥见两人在婚姻里的状态。一个毫不作为,一个又太强势。两人的这种状态,也为日后的婚变埋下了伏笔。对于婚姻,经济学家薛兆丰打过一个比喻:“婚姻,其实就是合伙开公司。”既然是一起开公司,那么夫妻的关系可以说是合伙人。合伙人的责任就是要整合优势资源,各自发挥所长,让公司的经济保持平衡发展。只是婚姻如同经济体系,它容易受到各种因素的影响,无法时时保持平衡状态。其中导致失衡的第一个因素,就是夫妻无法应对孩子带来的变化。生育一个孩子,可以说,相当于公司研发一个新产品。新产品如何运营,自然需要两个人一起努力参与,制定相应的应对策略。可是在剧里,对于孩子,肖路可以说是毫不上心。他没有意识到自己已经升级为父亲,需要对一个新生命负责。当然,方一诺也有问题。看丈夫做错事,强势惯了的她,第一反应就是埋怨,彻底否定了肖路做出的改变。被否定的肖路,最后直接摆烂不回家了。两位合伙人,一个摆烂,啥也不干;一个死干,越想越气;这个合伙企业,能运转得起来么?答案可想而知。在生产的这个环节,承担最多的、付出最多的是妈妈方一诺,肖路的可参与度其实并不高。那在育儿这个环节,作为丈夫的肖路,就该有一定的责任意识,一起参与到育儿来。就算肖路一开始干不好,方一诺也应该多多鼓励,试着放手,培养肖路的带娃能力。生育过程难免会遇到各种问题,肖路和方一诺如果可以提前做好规划,保持及时沟通,共同承担育儿责任,那么,也不至于会走到离婚这一步。除了不懂应对生育带来的各种变化,夫妻步调的不一致,也是导致婚姻失衡的另外一大原因。毕竟婚姻的内核,还是夫妻关系。剧里,新手妈妈方一诺一颗心都扑在孩子身上,由于月嫂、婆婆的问题,和肖路闹得不可开交。肖路这边只会和稀泥,方一诺直接开始“冷处理”。她没和肖路商量,直接让亲妈搬进来,和自己一起看孩子。肖路没了房间,只能窝在狭小的沙发过夜。后面,肖路开始不回家,有时候就在车里过夜。两人的话题,只围绕一个带娃的时间表展开。连方母也开始吐槽:“你们哪里像夫妻?”原本感情融洽的两人慢慢过成了合租室友,再也无话可说。两人长期缺乏精神层面的交流,就很容易造成信息的不对称。信息不对称,在婚姻这种共同投资里,就是潜在的巨大风险。再者,事业上的发展差异,也导致了方一诺和肖路成长步调的不一致。剧里,方一诺由于工作表现优异得到了升高三班主任的机会。她先是高兴,其次就是犹豫。最后,她顾及孩子,彻底放弃了这个机会。相比之下,肖路在职场上就完全没有这种顾虑。现实之中,有不少妈妈更是直接放弃了工作机会,全心全意照顾家庭。夫妻双方的成长不同步,距离自然越来越远。长此以往,夫妻缺乏共同话题,步伐完全不一致,很容易就会让失衡的婚姻关系直接走向尽头。看上去,肖路和方一诺婚姻的问题由孩子出生而起,可最根本的,还是由于两人的沟通方式存在问题。遇到分歧时,两人并没有及时沟通,一个逃避、一个冷处理。最终,越走越远。婚姻这一门经济学,你不费心打理,不认真经营,它就不可能时时保持平衡状态,更不可能给你持续创造收益啊。虽然肖路在《亲爱的小孩》里很不靠谱,不过,饰演肖路的秦昊,现实中却十分懂得婚姻经营之道。表面上看,他比妻子伊能静相差十岁,似乎这段姐弟恋婚姻不太靠谱。不少网友甚至直接断言道:“这对长不了。”可是两人顶着外界那么多不看好,已经走过了七年之痒。参加综艺节目时,看得出来两人的性格相差颇多。秦昊不善言辞,伊能静却是个话痨,还非常"作"。但,性格差异蛮大的两人,沟通起来却是格外顺畅。看秦昊吐槽老婆这段,就能看出两人性格中的共同点:都是真性情,有啥说啥,绝不含糊。更主要的是,两人对于婚姻里的分工也非常清晰。伊能静曾透露,两人是按性价比接工作,只要一方出去工作,另一方就要留下来照顾家庭。所以,伊能静在生了女儿之后,也没有放弃工作。参加了《浪姐1》,事业翻红了一把。两人对于孩子的教育问题,也是时时保持沟通,保持同步。上一段婚姻缺失的自信与踏实,她似乎在秦昊的身上找到了。正如秦昊在微博回应骂声时所说的:“希望通过这部剧可以让更多的夫妻多沟通,多交流。”一旦发现问题,及时解决,直面应对。而不是一味逃避、让问题扩大化。这或许正是两人婚姻可以保持长期平衡的秘诀之一。所谓好的婚姻,大概就是如此:夫妻分工明确、有商有量。毕竟婚姻就是共同投资,唯有步调一致,日子才能越过越好啊。


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