天文学家利用望远镜“太阳镜”拍摄黑洞磁场

尽管黑洞蕴藏着深奥的概念之谜，但它是宇宙中最简单的大物体：有些会旋转，有些会带电。它们的质量都足够密集，以至于完全变暗，产生的引力甚至能捕获光。它们几乎无法测量，更无法观察。

但真正的黑洞，尤其是潜伏在大多数星系中心的超大质量黑洞，绝非黑暗和直截了当。第一张黑洞照片直到 2019 年才拍摄到，天文学家不得不使用覆盖整个地球的望远镜网络才能拍摄到它。这个特殊的黑洞位于 M87 星系的中心，周围是一片滚滚的热气顶点，距离地球 5500 万光年。拍摄它确实是一项壮举，因为这个物体在天空中是一个明亮但微小的点。

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尽管 M87 的黑洞占据的面积与我们的太阳系相当（大约 0.02 光年），但它却能喷出强大的粒子流，其喷流上下延伸 10,000 光年。这些喷流燃烧能量的速度大致相当于我们银河系中所有恒星燃烧能量的速度总和。

“这是整个宇宙中最强大的过程，”荷兰拉德堡德大学天体物理学家、拍摄 M87 黑洞的合作者萨拉·伊萨翁 (Sara Issaoun) 表示。“但我们仍然不知道这是如何发生的。”

“美丽”的黑洞数据

现在，我们了解得更多了。伊萨翁和其他三百多名参与事件视界望远镜 (EHT) 合作的研究人员在国际首秀两年后带着一张最新照片回来了。这张新照片捕捉到了黑洞之前看不见的一侧，人们认为这一力场是宇宙中最强大的喷流发射的源头。

“这些数据非常漂​​亮，”斯坦福大学天文学家 Enrique Lopez Rodriquez 说道，他专门研究超大质量黑洞，并未参与这项研究。“他们首次测量了黑洞事件视界附近的磁场。”

在引力是唯一力量的现实中，黑洞会保持更暗的状态。但它们以接近光速的速度向整个星系喷射粒子这一事实强烈表明其中还涉及其他因素。“仅靠引力无法解释这一点，”洛佩兹·罗德里格斯说。“你需要另一种力量。”

看不见的磁场

几十年来，研究人员一直认为，磁力是造成这一现象的唯一原因，磁力是唯一能在大尺度上产生如此巨大影响的力。但除了引力（天文学家可以观察到引力推动恒星和星系运动）之外，磁力基本上是看不见的。除了发射一堆冰箱磁铁并观察它们的漂移之外，研究人员只能通过电子和质子等带电粒子的运动来辨别远处的磁力。

环绕 M87 超大质量黑洞的轮胎状云层主要由等离子体组成，等离子体是原子被撕裂成带电粒子的物质。当黑洞的磁场将它们推向螺旋时，它们会发出以特定方向或“偏振”波动的光线。数百万年后，当这种偏振光到达地球上的 EHT 设施时，合作成员可以重建粒子穿过的磁场的粗略地图。

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效果很微妙。新图像基于与著名的 2019 年黑洞图像相同的数据，但应用了滤镜以仅选择偏振光。这有点像透过偏光太阳镜看东西。

事实上，合作成员是在原始图像公开发布三个月后首次看到偏振图像的。但 EHT 的仪器也会让附近的偏振光进入，因此检查研究人员是否正确地将陆地光子与黑洞光子区分开来需要时间。

“整个两年的过程都是为了确保我们看到的是真实的，”伊萨翁说。

在开发了五种方法对过滤进行五重检查后，该合作团队确信偏振是合法的。他们于周三在《天体物理学杂志快报》上发表了两篇报告，并发表了他们的研究结果。

抛弃黑洞理论

偏振图像出乎意料地揭示了真相。合作的理论学家在超级计算机上进行了 40 次模拟（每次模拟大约需要一周时间），生成了黑洞行为的 3D 视频。然后他们考虑了其他变化——例如不同的电子速度和不同的视角——以获得 70,000 个黑洞磁场的合理映射。最后，当他们将这些理论图像与实际图片进行比较时，只有 72 个匹配。

普林斯顿大学天体物理学家、EHT 成员安德鲁·查尔 (Andrew Chael) 表示：“如此大幅地缩小（可能的行为）范围非常令人惊讶。”

幸存的模拟突出了黑洞磁场的广泛特征，并解决了有关喷流起源的长期争论。

磁场和黑洞喷流的诞生

非常强的磁场会从等离子体盘向外直指，就像插在甜甜圈里的椒盐卷饼棒一样。然而，弱磁场会与等离子体一起搅动，形成一个俯冲的圆形图案。EHT 合作小组看到了中间的情况：一个强度相当的螺旋状磁场，他们估计其强度在 1 到 30高斯之间，这是磁通量密度的测量单位。这意味着 M87 黑洞的磁场比地球强几十倍。

M87 超大质量黑洞周围的磁场强度表明，它的磁场正在以一种称为磁阻的特殊方式发射喷流。

磁场是由带电粒子的运动产生的——冰箱磁铁之所以能吸附在带电粒子上，是因为它们的电子会一起旋转。因此，当等离子体以螺旋状向黑洞赤道移动时，赤道周围的磁场就会增强。随着磁场的积累，它会“阻止”或停止更多带电粒子的流入，最终磁场会变得非常强烈，以至于力场会从黑洞的上方和下方溢出，从而排出喷流。新的偏振图像表明，这种剧烈的挤压正是 M87 中心正在发生的事情。

“纯粹的探测确实令人惊叹，”洛佩兹-罗德里格斯说。“它开始回答一个非常关键的问题：射流是如何形成的。”

但 M87 的超大质量黑洞只是一个样本。未来几年，该合作将寻求扩大这个数字，通过直接拍摄银河系中心的超大质量黑洞，并将他们的完善理论与更远的黑洞喷流的形状进行比较。

查尔说：“在尝试建立这种联系的过程中，我们会学到很多东西。”