#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#

打辩论16分16秒。被攻击得体无完肤,但我觉得写的还行[可爱]
:你其实讲的就是庸俗文化、低俗文化。只不过你用了比较新的名词。所以你这篇东西就没有创新点。
:[可爱]
:荒诞跟丑一样么。
:不一样
:(肯定的眼神)哪里不一样?
:(无知)不知道

❤️ :可是我们的宪法说公民有言论自由啊,宪法没有禁止的就是可为的,你不能管别人发什么吧,别人想发什么就发什么。
:宪法规定的是一般性的法律(原则),后续还有具体的法律法规作去限制和规范。不能说你有这个自由,你就随便发违背主流价值观的内容。
❤️ :那你说说主流价值观的涵义。
:……哔哩吧啦……
❤️: 呵(轻蔑)

总而言之,论文无立足之地,无可写之处[可爱]

系里老师之间说话好狠呀
:你这篇东西完全就是垃圾,枉读大学四年。
:xx老师指导的论文,乱的很,完全不能看啊。
[赞][赞]

面对大量的无症状感染者,中医是最佳的治疗手段!
无症状感染者是一个新名词,它指的是没有相关临床症状,如发烧、咳嗽、咽痛等自我感知或可临床识别的症状与体征,但却核酸监测出阳性来。虽然无症状感染者不算确诊病例,但他们都是病毒携带者,可以传染给其它人,因此,面对这类人,西医方法主要就是隔离观察。当然,西医也尝试进行治疗过,但结果都是失败的。

现在无症状感染的人数众多,每天新增的人数经常超过2万,远远超过确诊的病人。隔离显然不是好的办法,难道我们什么都不做,就等着他们被确诊或自愈吗?不过,西医没办法,并不代表着中医也没有办法。因为在中医学上,无症状感染者也是一种病,它虽然没有新冠的西医症状,但身体却有各种中医症状,比如,倦怠无力、舌苔腻、大便黏滞不爽、脘腹胀满等,我们中医仍然可以根据这些症状对症的治疗。

这其实是由中西医的差别造成的,西医视局部的细胞病变为病,发现了细胞病变,那就是有病,没有发现细胞病变,那就是没病。而中医则以不平衡为病,疾病是不平衡达到一定程度才出现的结果。更具体地说,中医的病因有两个,一类是细胞的功能亢进引起的,一类是细胞的功能低下引起的,疾病是一个从量变到质变的过程,在质变之前,细胞没有发生病变,但在中医上已经被认为是病了,而西医却认为人没病,当细胞功能亢进或功能低下到一定程度发生了病变,西医上确诊了疾病,而中医上疾病已经发生了质变,变得比较严重了。

至于治病,西医靠的是外力,用药物来杀死病变细胞就是西医的全部,体现在治疗新冠上,就是用药物杀死人体的病毒。这种方法表面上看起来无可厚非,但事实上,人体自身有一套完美的管理秩序,它保证了细胞都听整体的话,此时疾病是不会发生的。但随着各种因素的影响,比如饮食、气候、情志等,它破坏了人体的秩序,这才给了局部细胞病变的机会。因此,中医治病是利用整体的力量,中药不过是用来恢复人体管理的一种手段。具体地说,中医是用来恢复人体平衡的,因为只要身体平衡了,整体的管理就恢复了,此时局部病变就会在整体力量的控制下改邪归正。

西医为什么治不好新冠?原因就在于它只会一味地消灭病毒,但破坏了人体原有的秩序,虽然病毒可以被杀死了一部分,但整体的管理更乱了,疾病往往不是变轻了,而是变重了。

中医为什么治疗新冠疗效卓著?原因就在于它是根据整体决定局部的系统学规律,通过恢复人体原有的秩序,使病毒在人体没有生存的空间,此时的治愈才是真正的治愈。面对当下众多的无症状感染者,我们就可以通过恢复人体原有的秩序,使病毒在人体没有生存的空间,从而达到自愈的效果。具体的方法就是通过多种诊断方法,找出身体的不平衡之处,然后用中药之偏来平衡身体之偏,身体平衡了,百病皆消。

需要指出的是,这里的中药是广义的,它包括一切能够恢复人体平衡的办法。如针灸、按摩,推拿、情志、气功、中药、外治、磁疗、电疗等。只要能够恢复人体平衡,它都是有效的中医方法,也都能达到治愈疾病的效果。

事实上,最近不少中医人已经做了大量临床实践,已经无可置疑地证明,只要根据人当下的体质偏性调平衡,都可以有效的治愈无症状感染者。

比如,早在2月中旬,山西省针对无症状感染者,已由山西省中医院王晞星教授携医院新冠肺炎防治专家组成员共同研制出了核酸转阴方——益气祛毒颗粒,这个中药制剂可以解决无症状感染者病毒转阴问题。益气祛毒颗粒首先在山西省一名迟迟不能转阴的患者身上试用,服用此方3付后,咽拭子核酸连续2次检测为阴性,后顺利出院。2月17日,又有6名患者在用药3付至6付后,核酸检测咽拭子、血液、痰液,均已转阴。经过一系列临床使用疗效确切后,到2月28日,益气祛毒颗粒开始在湖北临床广泛试用。

在重庆市,2月14日发布了《重庆市新型冠状病毒肺炎中医药防治推荐方案(试行第二版)》,新增了关于新冠肺炎无症状感染者的临床治疗处方和药物。

在预防环节,由仝小林院士推动的“武昌模式”取得了非常好的成绩。在武昌区,把中药汤剂(通用方大锅药)送到社区,给发热患者、疑似患者、密切接触人群服用,这一举措,把疑似病例的确诊率从1月28日的90%下降到了2月6日的30%,再到后来的3%。

在江夏中医方舱医院,从2月14日开舱到3月10日休舱,共收治564人,治愈482人,治愈率85%,在我们所能获取到的信息中,这是所有方舱中治愈率最高的。另外,江夏中医方舱医院还实现了两个“零”的成绩——零转重症,零复阳。

还有很多的数据也显示,在核酸检测转阴方面,中医是有明显优势的。所以说,对于无症状感染者,完全可以用中医药去治疗。而对于普通民众来说,能够了解到无症状感染者是可防可治的,那心情也会安定很多。

当然,这需要一大批懂得辨证的中医专家,毕竟症状不明显,需要更审慎的望闻问切,当然,也可以根据当下无症状感染的共同体征,总结出一个普适方,让所有无症状感染服用。只要我们能够真正地根据中医学原理,以中药之偏来平衡身体之偏,没有什么疾病是治不了的。


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