#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#

刚刚,某重庆女明星的《CRAB BOSS》八月刊首发封面流出,因博主本人忘记,致其发布延期至九月初,故增加期刊封面一张

据悉,此为该时尚生活杂志创刊首期,包含但不仅限于创始人的自拍,他拍,风景照,生活奇闻等内容分享

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敬请期待

8.20半山崖线

#小说#
喷神的喵屋--小说的转折和高潮
本喷神是个草根作者,从来没有系统的学过什么写作理论。

  那玩意儿也压根没入过我的法眼。

  本大王所有的所谓的写作技巧,其实也就是自己十几年写作的一点经验而已。

  并非是什么宝典,也不打算拿出来卖钱。

  喷神的喵屋就是专门用来给大家免费分享的。

  我也不求你们啥,没事上来点点赞,无脑的那种。

  有人喷我的时候,你们能给我来呐喊助威一下。

  仅此而已足够了,相信本王虽然嘴臭,但口碑还算可以。

  起码不恰烂钱,对吧。

  好了废话少说,进入今天的主题,今天要说的是转折和高潮。

  本大王没有那么多理论的东西,我会用最直观最简洁的方法来告诉你什么是转折和高潮。
  当然有人把转折这个点包含在戏剧性效果里,我觉得这也不算错。

  其实戏剧性放在小说里,不仅仅是它字面上的意思,各位不必杠这个词语的意思。

  更具有戏剧性效果的情节我认为是出人意料的。

  有人说不知道该怎么写出这种出人意料的戏剧性效果,那么我告诉你,有一个最简单的方法。

那就是你给主角安排一个封闭的选择。

  什么叫做封闭的选择呢?

  其实很简单,你在安排故事线的时候,让主角陷入了一个不得不做选择的场景。

  而你给主角必须安排了两个唯一的选择,A和B。
  为什么说唯一呢?其实并不是唯一,而是你让读者认为这是唯一。你必须让读者认为这是唯一可以选择的两条路。

  那么问题来了,主角是选择A还是B呢?

  选A?

  选B?

  错,不管选A还是选B都是流水账,是毫无期待感的,全部都是失败的写法。

  自然也就算不上富有戏剧性的转折,你要在这种封闭的选择下,给出C!

  这才是出乎意料的选择,才是读者想看,又以为看不到的。

  为什么流水账不好看,就是因为繁琐和无聊。

  什么都知道的后续,那又有什么好看的呢?

  以上的这个算是一个最简便的公式,代表了转折的一种方法。

  各位可以按照这样的一个方法,自己去不断的扩展思维。又有人说,这个办法太简单了,傻子都会。

我只想说呵呵,是啊,傻子都会,可为什么那么多写手甘愿做傻子呢?

  所以大家写书,一定要开动脑筋,想到更多丰富转折的写法,我在这里只是提供一个思路而已。

  那么什么又是高潮呢?
  高潮我可以用一个最简单的例子来形容。

  相信各位都见过制作陶器吧。

  把一团烂泥通过双手一点点的做成各种漂亮的陶器。

  烂泥就好比是故事的起因。

  双手制作就是故事的过程

  塑形的时候就是事件的极致。

  最终成型就是事件的高潮。

  这整个过程就是营造一个高潮的过程。

  一个高潮说到底就是一个完整的故事叙述过程。

  有人说不知道什么是时间可以作为高潮。

  那很简单,我说几个元素出来。

  第一,复仇。

  第二,装逼。

  第三,获得。

  第四,挑战。

  这几个大类基本上是高潮的基本元素。

  复仇不用我多说了,各种小说里各位已经很熟悉了。

  装逼我也不用说,装逼打脸是小白文的基本功。

  那么获得是什么呢?说白了就是奇遇和夺取。

  奇遇大家很了解,那夺取的快感又是什么呢?

  夺取的快感在于你前期的铺垫和气氛的营造。

  比如说各种小说里传说中的至宝,这种就属于提前的气氛营造和铺垫。

  获得感的强弱,取决于作者前期的铺垫强度够不够。
  这一点说起来容易,做起来很难,牵扯到许多细节的问题。

  关键考验的还是作家的笔力,但这个基本的原理,大家要明白。

  那挑战又是什么呢?

  挑战举个例子,你们可以理解为战胜一个不可能战胜,神话一般的人物。

  这个神话一般存在的人物,越强大越牛逼,那么在挑战成功的时候,那种爽感也就越强。

  YY一下,你收购了马云的公司,是不是很过瘾?

  再YY一下,你让王思聪做了你的司机,天天给你端盘子,是不是很爽?

  这就是挑战的意义所在。

  当然还有一种,也是诸多作者常用的一种惯用手法。

  那就是绝境法!

  是的,就是绝境法,这一招适用于任何题材的小说。

  在主角陷入绝境,毫无任何生还可能的时候。

  或者说作者堵死了他所有的生路,只有死路一条的时候。

  这种时候的爆发,也就成为了高潮的一个启动方式了。

  当然高潮的爆发强度有多少,那要取决于这个场景的仇恨值高低。

  仇恨值越高,高潮爆发出的力度也就越大,爽点对于读者的刺激也就越强。

#微博新知博主#

本王就是装逼界第一天王,逼乎柯镇恶,喷人大帝,知乎喷神,纸糊叶圣陶,文坛先知,网文拖拉机,不是在喷人,就是在喷人的路上,自号江苏第一狠人,姑苏扛把子,知乎警察局,阅读纪检委,吐槽小王子,怼人天王,立志把自己活成一个段子的奇男子。


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