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#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#

看板管理就是及时管理!
导读:管理要参透人的心理,选对方法,事半功倍。
管理做得比较好的生产制造企业,都很推崇现场看板管理,尤其是日韩企业。
看板,就是把生产现场的生产计划、产量、质量、安全、改善、库存等信息以数据的形式直接显现在公开看板上,让所有员工清晰可见。
最原始的看板管理发端于日本,起源于丰田,现在随着信息技术的发展,很多企业用电子看板取代了纸质或木质看板,但换汤不换药,功能一点没变。
很多人奇怪,为什么不能把信息发到个人电脑上,手机上,让每一个人自己看,为什么还在使用这么“土”的看板形式?
别小看这块看板,有时比任何管理措施都管用。因为这种形式具备公开性、及时性和不得不看性(在显眼处矗立)。
譬如,车间现场员工工分看板。
很多企业碰到需要紧急加班赶单时,个个人人有事情,加不了班,于是经常做一些人的思想工作,甚至有些哀求,车间主任、班组长很是头疼;还不行,就索性强制全体加班,双方关系搞得很是紧张。
但是,任何事情都是有因有果的,只要弄清其中问题实质,就可找到解决办法。
有的员工怕自己做多了,被组长杀“富”济“贫”了去。由于没有实时公开,时间久了,员工有的已经记不得具体工时数据了,尤其是别人的数据。工时全靠班组长月底统计一下,这样容易误引起员工认为暗箱操作。
实际上,员工不愿意主动加班,很多是工时绩效制度模糊和实际绩效不公开惹的祸。
如果每天或每个项目结束后,立即将每一个参与人的工时公示在墙上,员工今天干了10个工分,颗粒归仓,明天干了12个工分,也是颗粒归仓,那他后天怎么不奋力干15个工分、17个工分,怎么不去奋力挑战高难度、高紧急项目,加班还需要你去盯吗?
这种干活、这种加班是主动的。让多劳者多得,少劳者少得,恢复工作绩效本来面目,这不很好吗?
笔者从事的两个企业,均在一线现场设立班组工分每天上墙制度,从以前请求员工加班,到赶员工早点回去,注意休息,方法一变,效果天壤之别。
看似无解费神的难题,一张看板就解决了,充分借助了看板的公开性和及时性。有些数据一公开展示,会激发同事之间比一比赛一赛的竞争劲头,既利企又利民。
譬如,车间现场质量红黑榜看板。
产品质量问题一直是每一个企业高度关注的事情,其中很大一部分取决于生产过程控制。
生产过程出现的问题不能私下处理解决了就完了,必须通过各种形式广而告之,一是教育责任本人,二是更为了教育其他人,重复犯错是不能容忍的,那么这个重任就落在了看板身上了。
看板和口头上说说不一样,领导上口头上说,话语转瞬即逝,不容易在员工脑海中留下深刻印象,并且记不得清晰的原因分析和闭环措施;而看板时时刻刻挂在那里,视觉冲击力较强,也能详细把一件事情说透。
有研究显示,一个人接受的信息90%是通过视觉得到的,可见视觉信息的重要性。
作为生产制造企业,质量看板普遍设立有质量工艺红黑榜,A3报告看板,技能考核成绩看板等。
在一些企业,质检部门在产品检验时,发现质量或工艺问题,不合格单一开,然后立即进入处罚环节,这件事情就结束了。
这样处理事情太孤立,没有彻底的原因分析,没有问5个为什么,没有教育广大其他员工。
但这方面做的好的企业,一方面通过看板公示问题现象和出现频次概率,另外紧跟着用A3报告的形式,分析真正原因,制定闭环措施(修改流程、作业指导书,改进工装夹具等),然后教育、培训所有员工。
为了提升生产过程质量,车间定期开展工艺、工序操作理论和实操培训、考核,张榜公布各班组、所有员工考核成绩,表扬优秀,鼓励落后。
当然考核不合格者,进入再培训、轮岗和待岗状态,质量问题应从这些源头控制,而不是只盯着最后不合格品处罚。
当然质量问题还有研发、供应商、设备等其他环节因素,这儿不展开论述。
质量看板充分借助了看板的公开性、清晰性和荣辱观,数据立在那里比过眼云烟强似百倍。
譬如,车间现场6S看板。
6S管理总有人以为6S就是扫扫地,擦擦桌子,东西放放整齐即可,纯粹卫生阿姨就能干的事情,何必这么重视?
精力还是要花在怎么提升质量、怎样提高生产效率上,这才是利润来源;安全当然很重要,出现安全事件必须要严厉扣罚。
孰不知,6S与安全、质量、效率、士气息息相关,简直像是鱼儿离不开水,植物离不开阳光一样。
看似扫地抹桌子这么简单的事,但是很多企业就是做不好6S,因为没有实行及时反馈管理,没有实行6S看板管理。
首先你得用看板明确公示每一个班组负责区域和6S考核点,扣分或加分项。
其次你得把每天、每周检查的情况用得分、照片的形式公示出来,让他知道自己错在哪里,然后限期改进。
最后,每月要有一个各班组6S成绩排名,颁发流动红旗和一点物质奖励,就像游戏打关一样,通过过关、增强装备、收获财富等形式奖励获胜者。
为什么游戏这么吸引人,讲究的就是及时反馈、及时奖励。6S看板天然就具有这种特性!

6S不仅仅是“打扫卫生”,它是一种管理方法论;更体现出全体员工的精、气、神,客户看重的不是表面的干净,而是这个企业的一种精神,一种文化,一种做事的态度。
小小6S,起了大作用,不仅管安全,还管质量和效率,更管一线员工的精气神。
尤其是实体生产制造企业,再复杂的产品都起于一个螺丝一个垫片一个动作,起源于干净整洁的制造环境,可以说无6S不制造。
所以你做不好6S,是因为缺少一块持续更新的6S看板。
看板管理就是及时管理,就是视觉管理,就是公开管理,第一时间将第一手信息在车间最显眼处公示出来,今天的信息,明天早上就出来,甚至今天上午的信息,当天下午就出来,然后表扬优秀者,鞭策落后者,问题立即分析、立即闭环、立即教育,这是一种什么管理,这就是游戏打关管理。
丰田就靠这种“土”的看板管理打败了美国信息化武装到牙齿的ERP、MES、PLM等高大上系统,还用说其他的吗。
来源:ERP之家,侵删。


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