2021年M87黑洞新图像揭示科学奥秘：偏振成像技术解析

2021年版（左）与​​2019年版M87黑洞对比。 （来源：EHT 合作伙伴）

这张黑洞的“新肖像”能告诉我们哪些关于黑洞的新信息？ EHT项目如何拍摄黑洞？如何获取偏振图像？带着这些问题，记者采访了参与拍摄黑洞的EHT合作成员、中国科学院云南天文台研究员毛继荣。

什么是偏振图像？

毛继荣在EHT望远镜理论研究中主要从事偏振理论计算。他介绍，偏振是光在空间传播的一种特性，是指光作为电磁波在垂直于其传播方向的平面内沿特定方向振荡的特性。

“一般生活中的光，比如太阳光，在空间中传播是各向同性的，即向各个方向均匀传播，称为非偏振光。偏振光是各向异性的，只在一定的方向上传播，在特定的方向上传播。”毛继荣向南方日报、南方+记者表示。

以3D电影为例，毛继荣进一步解释了偏振光的形成：“电影院放映电影时，两台投影机同时向不同方向投射图像，观众的眼睛通过放映机上的两块偏光镜。戴上偏光眼镜，分别观看两个投影仪的图像，最终形成的图像就会产生三维的感觉。

“由于偏振是电磁波在空间传播中某一成分的辐射，因此测量偏振辐射比较困难。”毛吉荣说。

相对论性电子在黑洞周围的磁场中辐射产生的光是偏振光。 EHT合作对2017年收集的M87星系中心超大质量黑洞吸积物质的观测数据进行了深入研究。他们发现，这个距离地球5500万光年、质量为太阳65亿倍的黑洞周围的相当一部分光是偏振的。的。

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的天体。它具有如此强大的引力，即使是光也无法逃脱它的影响范围，即事件视界。 2019 年 4 月 10 日，科学家发布了第一张黑洞图像，显示了事件视界的痕迹——明亮环中心的阴影区域。 2021年的“偏振版”通过偏振光的探测揭示了事件视界附近磁场的大小和结构。

就像偏光太阳镜可以减少反射并让我们看得更清楚一样，天文学家可以通过观察来自黑洞边缘的光的偏振特性来锐化他们的视野并绘制黑洞边缘存在的磁场线。

EHT合作成员、上海天文台研究员卢如深表示：“黑洞的偏振成像结果非常令人兴奋，对于理解黑洞周围的磁场和物理过程至关重要。”

EHT 如何拍摄黑洞照片的“偏光版”？

继2019年发布第一张黑洞图像之后，这次我们是如何获得黑洞的偏振图像的呢？

毛继荣表示，科学家需要利用多台望远镜同时对黑洞阴影进行偏振测量，才能获得黑洞阴影的磁场分布特征。

为了观测M87星系的中心，科学家们动员了世界上最顶尖的射电望远镜进行联合观测并记录数据，打造出了直径与地球直径相近的联合望远镜——EHT（事件视界望远镜）。创建 EHT 是一项艰巨的挑战，需要在各种具有挑战性的高海拔地区升级多个射电望远镜并将其连接到全球网络，包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠和南极。

阿塔卡马大型毫米波和亚毫米波阵列（ALMA）位于智利北部的阿塔卡马沙漠。 （来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Calçada (ESO)）

EHT观测采用甚长基线干涉测量（VLBI）技术，观测波段为1.3毫米。世界各地的射电望远镜同时观测，利用地球自转形成虚拟望远镜，其孔径与地球大小、分辨率约为20微角秒。

该分辨率允许观察事件视界尺度的结构。形象地理解，它的分辨能力相当于从地球上看清楚月球表面的一张​​信用卡；或者从欧洲清楚地看到美国纽约街头报纸上的文字。

值得一提的是，以往的VLBI通常是在米波或厘米波段进行，而EHT望远镜观测中使用的VLBI则是在毫米波段完成。 “毫米波段甚长基线干涉测量在超大质量黑洞阴影观测中起着决定性作用。”毛吉荣说。

干涉测量原理的示意图。 （来源：ESO/N./A./CK Chan/D./F.Ozel）

2021年发布的M87黑洞偏振图像和2019年发布的首张黑洞照片来自同一成像观测，但并非同时发布。 “饼干”的烘烤时间比“甜甜圈”的烘烤时间要长近两年。

“由于获取和分析这些数据涉及非常复杂的技术，科学家们花了更多的时间来创建这张偏振图像。” EHT 偏振测量工作组协调员、西班牙巴伦西亚大学天文学家伊万·马蒂 (Ivan Martí) 说道。

EHT协作成员、上海天文台副研究员姜武表示：“传统的VLBI偏振测量非常困难，EHT获得这种偏振图像更具挑战性。”

在普通的五天观测期间，每个望远镜将收集约500TB的数据，整个阵列将产生约7PB（相等）的数据，这将填满1000到2000个硬盘。不再可能通过互联网传输如此多的数据。 EHT采用最原始、最可靠的方法——用飞机将硬盘运送到美国麻省理工学院的海斯塔克天文台和德国马克斯·普朗克射电天文研究所进行处理。

在那里，超级计算机将校正光波到达不同望远镜的时间差，处理所有站之间的交叉偏振信号，并校准站偏振参数。这些校准数据用于合成黑洞照片。

偏振图像告诉我们哪些新信息？

这张M87黑洞的偏振图像极大地加深了我们对黑洞周围物理环境的了解。 Ivan Martí-Vidal 解释道：“这项工作是一个重要的里程碑：偏振光携带的信息使我们能够更好地理解 2019 年 4 月发布的黑洞图像背后的物理原理，这是以前从未实现过的。这是不可能的。”

毛继荣还表示，黑洞阴影的偏振图像清晰地给出了事件视界的磁场分布特征，揭示了超大质量黑洞吸积的物质是高度磁化的。

探索黑洞对于人类认识宇宙具有重要意义，但人们尚未完全了解黑洞是如何以接近光速吞噬物质并将部分物质向外喷射的。 EHT合作成员、美国普林斯顿大学理论科学中心研究员安德鲁·查尔指出：“新发布的偏振图像是理解磁场如何让黑洞‘吃物质并发射强大的射流。”

通过分析M87黑洞的偏振图像，EHT研究团队发现，为了解释黑洞喷流的存在，采用以强磁化气体为特征的吸积理论模型是合理的。