#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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二次元漫画蛋糕(6寸)

二次元,啥意思?我也不太懂,但最近突然很火的二次元漫画蛋糕,让我有种跃跃欲试的冲动。

翻某音某书,发现了二次元的蛋糕就像是简单的手绘简笔画,猛的一看,这个蛋糕像是在一个平面上。

特意去百度了一下二次元的意思,本意是指“二维空间”、“二维世界”,就是平面。是对动画、漫画、游戏作品中虚构世界的一种称呼用语,与“三次元”相对。三次元就是我们现在的世界。简单来说,就是动漫世界被称为二次元,是不存在的,三次元是真实存在的。

无论如何,二次元的世界是人们对各种美好愿望的憧憬和向往,表达的大概是美好的愿景吧~~~不过,如果您用这个词去形容一个人太“二次元”,那就不太美好了,大概意思就是这个人活在自己的一个世界里,分不清现实和虚拟世界,有点逃避现实的意思。

到底度娘说的对不对,没在关系,咱们就取其精华,去其糟粕。咱们总结的一定要到位,二次元漫画蛋糕,表达的就是美好祝福的意思,希望对方永远生活在一个美好的世界里,所有的美好都会实现。

有了这到位的总结,那我人生中的第一个二次元蛋糕一定是给大宁宁的,昨天那个包子蛋糕是搞笑版,今天这款就是美好祝福版。

大宁宁是谁?有新粉一定会问我。

来来来,我再给大家隆重介绍一下:大宁宁,我的闺蜜,大名不方便透露,因为她一贯低调。1977年生人,生肖属蛇,和我同年,白羊座,一个倔强、有主心骨、干练、笑点泪点都很低的大女人。

为啥说她是“大女人”呢?身高并不高,当然也不算矮(说这话的时候,我的良心疼了一下,因为我经常直不愣登的站在她跟前说她矮,气的她直骂我),比我171的身高她是差了一点,但气场两米八你们明白吗?就是走到哪儿都能hold住,可以成为全场最靠谱的人,并且可以迅速搞清楚现场情况,对于任何突发情况都能够妥善解决。

别问我咋知道的,这都是我亲眼所见。自2017年1月我的新书发布会一直到2020年初第八本书的最后一次发布会,只要在北京,她必然陪着我,只要是到了活动现场,她一定会充当我的保姆、保镖、助理………她会立刻弄清楚卫生间在哪儿,从哪个门儿进来应该怎么走,我的包她亲自背好,签字笔、充电宝都放在哪儿,粉丝们送的花儿、礼物她都统一收好,记性好的她竟然可以基本说的清楚哪束花是谁送的,哪份礼物是谁送的,就连哪位粉丝从外地赶过来的,她都明明白白。我总觉得她脑子里有个电脑,特别智能那种,要不然为啥同样年纪,她还比我大几个月呢,脑子就比我好使呢?

我和宁宁都是宁夏人,她在家排行老三,听老人都说“三尖尖三尖尖”,意思是说一家里面,老三一般都会比其他兄弟姐妹要更机灵更会打算一点,但这话在我家并不是这样,我家姐妹四个,我老四,现在看来貌似我最机灵一点(三个姐姐看了估计也会频频点头,哈哈),而宁宁家,排行老三的她真的算是最机灵的、最操心的了,家里大事小情,她的意见一贯是很重要的。人家家的事儿具体的咱就不说了,这么多年我看着她为了家里操碎了心,啥事儿都是她拿主意,掏钱受累的也是她。

她42岁生日的时候,我写了一首小诗(你们自己在公众号里搜哈),里面的内容大概记录了我俩的从学校到现在的相识相知相爱相守。43岁的时候,我写了一个小文章,和今天的内容有点重复,但我俩真的就是这样日复一日年复一年的互相陪伴的,所有,今天有的内容您可能已经看过了,但我还是要再赘述一下。

我的微博搜索栏,您搜“宁宁”,一定会出来好多好多微博,而每一篇基本上都是宁宁给我做的好吃的,宁宁给我买的这个,宁宁给我发了啥闪送……平日里被宠惯了,一切都显得那么顺理成章、心安理得,而当回过头来看得时候,一下子会被温暖满满的包围住,密不透风的那种温暖,像极了冬天里的超厚超大的羽绒服,又温温润润的像流进心底的小溪……

在宁宁眼里,她的大蜜(她对我的昵称)没有啥不会的,是哪哪儿都好的。而在我眼里,宁宁那儿就是我心灵最安静的一个角落。我做的所有的好吃的,我第一反应就是让她尝尝,而她也会非常认真的给我点评,并且会实话实说,甜度可以再高一点,口感可不可以再韧一点,她会说出自己的真实感受,这样我就可以再调整,发布出来的方子就会更好一些;我心里有不舒服的事儿,我跟她讲的时候可以毫无顾虑的宣泄自己的情绪,她一定会是最好的倾听者,听完以后会给我分析,说出自己的想法,并且给出特别好的建议;我发给她的微信,尤其是语音,她会认真听完,不管我发的语音有多少条………

因为疫情,这两年我去宁宁家吃饭的次数骤减,见面次数更是屈指可数,但宁宁对于我的投喂可丝毫未减。她爱买山姆的东西,动不动就来一大堆,牛奶、酸奶、水果、肉、海鲜、快手菜、高级面条,啥都有。每次还假模假式的说:这都是给皇上买的(我俩对二狗爸爸的爱称),没有你啥事儿,皇上要是给你吃你才能吃~~~以至于二狗爸爸一看山姆的东西就这是“象牙山首富”买的。

去年十一月,我隔离在家,把她急够呛,也没办法看望。那就给我买东西,你知道她给我买的手纸有多少嘛,用两年都用不完。那一大包一大包的。咱也不知道她咋想的,我隔离二十多天,她觉得会很长时间,那一堆的东西哟……

外国情人节有礼物,鹊桥相会的那天也有礼物,我生日有礼物,二狗爸爸生日有礼物,二妞生日有礼物,我俩结婚纪念日有礼物,圣诞节有礼物,新年有礼物,春节有礼物……各种咱能想到的喜庆的节日,都是她送礼物的大好借口。现在送礼物我俩内卷的很厉害,用心思已经到了令人发指的地步。想方设法给对方惊喜。她已经到了亲手给我做礼物的进阶阶段了……

今年的新年礼物,她给我亲手做了个大礼物盒,打开盒子,彩灯一闪一闪的,有鲜花、有水果、有巧克力、有高级化妆品。她还特意用视频记录下来了制作过程,看的我满眼的泪……从选购盒子、购买鲜花、水果,到把鲜花插在花泥里,新手折牛皮纸袋子,把水果再一样一样放到袋子里,每一步都是自己完成。沉甸甸的那一大盒,都能感觉到她的爱已经溢了出来……

其实,我一写我俩的事儿,思路就会很散,脑袋里一个一个的片段不断浮现,想重点写某一段,但好像每一段都是重点,我想都记录下来,但又觉得每一幕都特别相似。不过,我俩互怼的样子是重点中的重点,见面互怼是常态,不见面微信互怼更是家常便饭。我一直相信一句话:闺蜜就是用来互相伤害的,当然闺蜜也是自己选择的一个家人。

亲爱的大宁宁,由于疫情的原因,今年的生日我没办法陪你一起过了,心里还是有一些空落落的……你总说生日这天你当一天老大,你是世界上最牛X的那个人。所以今天我怂怂的,从早上5:21(我爱你)发了生日祝福,到现在为止,是不是表现的特别好?

45岁,很庆幸这45年里我俩从16岁就认识,很庆幸在北京我们能够再次相遇,也很庆幸我俩能够成为闺蜜。未来的55岁、65岁、75岁一直到105岁,我希望一直都有你,咱俩努力活到115岁!到时候一起调戏老头儿哈!

宁宁,生日快乐!不只是今天,而是永远!爱你!

今天这款二次元漫画蛋糕,做法其实不难,重点没多少,来看看吧!

1.任何一个6寸的戚风蛋糕坯子都可以,您用谁的方子做都行,今天的重点不是坯子。

2.淡奶油的用量会很多,量多的时候千万不要一次性全打发,分次打会很好的掌握状态。因为我想要蛋糕整体的高度高一些,所以夹层部分我用的奶油很厚,这个要根据您自己的喜好来调整。

3.糖牌对绘画功底有所考验,如果您绘画功底不行,那就可以用一张转印纸放在现有的图片上用可食用色素笔拓印下来,再印到翻糖膏上,再描一遍就可以了。翻糖膏要有厚度,不然受潮容易塌。

4.如果不想做糖牌,网购装饰牌即可。或者就是简单摆些水果,最后用巧克力拉线膏画些线条也可以。

5.巧克力拉线膏我做的量比较大,用不完下次再加热一下恢复软度就可以啦。描画的时候,线条不要连贯,这样才有手绘的感觉~~

6.6寸的蛋糕我用的是8寸加高的蛋糕盒子,要不然装不下~~
#二狗妈妈的小厨房[超话]##二狗妈妈的小厨房##不可辜负的美食##厨艺新星赛#


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