还记得2019年发布的长得像甜甜圈的“人类首张黑洞照片”吗?对科学家来说，研究从那时才刚刚开始。近日，拍摄首张黑洞照片的事件视界望远镜(EHT)合作组织，又带来了M87黑洞的另一个版本——科学家对M87黑洞进行了偏振成像，“甜甜圈”变“曲奇”。
这一黑洞“新头像”，呈现了黑洞的哪些新信息?EHT项目是如何拍摄黑洞的?又是如何获得偏振图像的?记者对此专访了参加“拍摄”黑洞的EHT合作成员、中国科学院云南天文台研究员毛基荣。
为什么要绘制偏振图像?
通过观察黑洞边缘具备偏振特性的光来锐化视野，绘制存在于黑洞边缘的磁力线。
毛基荣主要参与了EHT望远镜理论研究中的偏振理论计算工作。他介绍，偏振是光在空间传播的一种特性，指的是光作为电磁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。
“一般生活中的光，比如太阳光，在空间的传播是各向同性的，即在各个方向上的传播是均匀的，被称为非偏振光。偏振光则仅在某个特定方向上传播。”毛基荣介绍。
以3D电影为例，毛基荣补充解释了偏振光的形成：“电影院放映电影时，两台放映机分别在不同方向同时放映形成影像。观众双眼通过偏振镜面，各自观看两台放映机在各自方向的影像。最终，双眼形成的影像才会产生立体感。”
“由于偏振是电磁波在空间传播中某个分量的辐射，测量偏振辐射就更为困难。”毛基荣说。
相对论电子在黑洞周围磁场中辐射所产生的光就是偏振光。EHT合作组织深入研究了2017年收集到的M87星系中心超大质量黑洞吸积物质的观测数据发现，这一距离地球5500万光年、质量为太阳65亿倍的黑洞周围相当一部分光是偏振的。
黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体，它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围被称作视界。2019年4月10日，科学家们发布了有史以来第一张黑洞图像，看到了视界的踪影——明亮的环状结构中央的阴影区域。而2021年的“偏振版本”，通过偏振光的探测揭示出视界附近的磁场大小和结构。
就像偏光太阳镜能减少反光、让我们看得更清楚一样，天文学家可以通过观察黑洞边缘具备偏振特性的光来锐化视野，绘制存在于黑洞边缘的磁力线。
“曲奇”照片如何获得?
5天观测产生7PB数据，比“甜甜圈”多花费近2年进行技术处理。
科学家如何得到黑洞的偏振图像?毛基荣介绍，首先需要用多台望远镜对黑洞阴影同时进行偏振测量，得到黑洞阴影的磁场分布特征。
为观测M87星系的中心，科学家动用了全球顶尖的射电望远镜，进行联合观测并记录下数据，创建出一台口径近似于地球直径的联测望远镜——EHT(事件视界望远镜)。创建EHT是一项艰巨的挑战，需要升级和连接部署多个射电望远镜来组成全球网络，而这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区，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以及南极点。
EHT观测使用了甚长基线干涉测量(VLBI)技术，观测波段是1.3毫米。不同于以往的VLBI，通常在米波或厘米波段进行，EHT望远镜观测采用的VLBI在毫米波段完成。“这对超大质量黑洞的阴影观测起到决定性的作用。”毛基荣说。
世界各地的射电望远镜同步观测，同时利用地球自转，形成一个口径如地球大小的虚拟望远镜，分辨率约20微角秒。这一分辨率可以达到观测事件视界尺度结构的程度——它的分辨本领相当于在地球上看清月球表面的一张信用卡;或者是从欧洲看清美国纽约街头报纸上的字。
2021年发布的M87黑洞偏振图像与2019年发布的首张黑洞照片来自于同一次成像观测，但两者并未一同面世，“曲奇”的出炉比“甜甜圈”多花费了近2年时间。
“由于获取和分析这些数据涉及到十分复杂的技术，科学家们为绘制这一偏振图像用了更多的时间。”EHT偏振测量工作组协调员、西班牙瓦伦西亚大学天文学家伊万·马蒂-比达尔(IvánMartí-Vidal)说。
EHT合作成员、上海天文台副研究员江悟承认，常规VLBI偏振测量就很困难，EHT得到这个偏振图像更是充满挑战。
一次普通的5天观测，每座望远镜会搜集约500TB的数据，整个数组产生的数据约7PB(7000TB左右)，装满了1000至2000个硬盘。这么多的数据已经不可能靠网络传递，EHT用最原始，也是最可靠的办法——把硬盘用飞机运到美国麻省理工学院海斯塔克天文台以及德国马普射电天文研究所进行处理。
在那里，超级计算机会矫正光波抵达不同望远镜的时间差，还需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理，对台站偏振参数进行校准。这些经过校准的资料才被用来合成黑洞照片。
EHT合作成员、上海天文台研究员路如森认为，黑洞的偏振成像结果十分令人振奋，这对理解黑洞周围的磁场及物理过程至为关键。
黑洞新照蕴含哪些信息?
明确给出事件视界磁场分布特征，揭示超大质量黑洞吸积物质是高度磁化的。
此次M87黑洞的偏振图像大大加深了科学家对黑洞周围物理环境的理解。伊万·马蒂-比达尔解释说：“这项工作是一个重要的里程碑：偏振光所携带的信息能让我们更好地理解在2019年4月发布的黑洞图像背后的物理，这在以前是不可能的。”
毛基荣介绍，黑洞阴影的偏振图像明确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。
探索黑洞对于人类了解宇宙具有重要意义，但人们此前并未完全了解黑洞如何吞噬物质，并将其中一部分以接近光速向外喷射。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：这次最新公布的偏振图像是理解磁场如何让黑洞“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流的关键。
通过分析M87黑洞的偏振图像，EHT研究团队发现，要想解释黑洞喷流的存在，使用以强磁化气体为特征的吸积理论模型是合理的。
EHT理论工作组协调员、美国科罗拉多大学博尔德分校助理教授杰森·德克斯特介绍，观测结果表明，黑洞边缘的磁场非常强，其作用力足以使得高温气体能够抵御引力的拉扯。只有溜过磁场的气体才能以旋进的方式进入到事件视界。
利用这个模型，科学家可进一步推断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。
包括中国科学家在内，来自全球多个组织和大学的300多名研究人员参与了EHT项目合作。毛基荣介绍，EHT作为国际合作研究项目，设置了多个研究工作组。各国科学家在不同的工作组里持续开展联合观测、数据处理和理论分析等方面的工作。
“EHT项目的成功实施，对我国正在或今后即将进行的射电天文研究也具有重要意义。”毛基荣说。
EHT项目还在继续进行：目前，EHT的2021年度观测正在进行中，更多有关黑洞的信息还等待着人类去探索。
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