作者简介：
李宇轩，华中科技大学物理学院物理学2002班，天文爱好者协会成员。
2021年3 月 24 日，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）合作组织发布了黑洞在偏振光下的样貌[1,2,3]，这意味着天文学家第一次在接近黑洞边缘处测得了表征磁场特征的偏振信息。
图1：2021年3月24日发布的首张黑洞的偏振照片（图片来源：EHT官方网站https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole）。
如何拍摄黑洞？
让我们先了解一下“拍摄”这张照片的大功臣：Event Horizon Telescope即事件视界望远镜（简称EHT）。所谓事件视界，指的是一个绝对无法干涉的外界的区域，也就是黑洞周围那一部分连光都无法逃脱的领域，是一片纯粹的黑暗。而这黑暗周围，则是大量绕黑洞旋转的高能粒子流，这就是黑洞的吸积盘。吸积盘中的高能粒子会不断向外辐射电磁波，这就为拍摄黑洞提供了可能。为此，科学家必须选择一个合适的黑洞。可能大家首先会想到我们银河系中心的超大质量黑洞人马座A*，确实，银河系中心黑洞确实是距离我们最近大超大质量黑洞（距离26000光年，质量约为4百万个太阳质量[4]）。不过，实际上在超大质量黑洞家族中其质量其实相对而言还是比较小的；而且，银河系内有大量气体遮挡，最终成像的质量未必最好。而另一个理想的拍摄目标是距离地球 5500 万光年，质量约为太阳的 65 亿倍的M87星系中心的黑洞[5]，这也就是2019年4月10日和2021年3月24日公布的照片中的黑洞。
选定了目标，下面就是如何拍摄的问题了。M87星系中心黑洞与地球距离实在太远，视角度相当于我们从地球上去看月球上的一个橘子（约20微角秒），人类目前的望远镜远远达不到这样的分辨率。于是，一个伟大的计划诞生了，联合世界各地的8台亚毫米波射电望远镜一同观测，创造一个等效直径与地球直径相同的超巨大望远镜阵列。根据最小分辨度正比于λ/d的公式可以得出：波长λ越短，口径d越大，最终分辨率就会越高。但这样提高口径方法也是有代价的。其一是必须将各地望远镜获取的大量信息进行集中处理。这个过程太耗时间了，2017年拍摄的数据直到2019年才初步处理合成完毕，而合成偏振的照片科学家又用了2年的时间。另外，各个望远镜之间有的大量的空白，这就相当于拿着一个镜头上全是破洞的相机拍照，成像质量也就十分的差。比起拓展到太空建造望远镜来提升口径，在地球上扩充EHT的成员要更加切实可行。
图2：拍摄黑洞照片用到的EHT射电望远镜阵,由8台亚毫米波望远镜组成，见蓝色点。(图片来源：https://eventhorizontelescope.org/science)。
直观上来看，这一次的黑洞照片与两年前的那一张相比更加“柔美”:犹如从黑洞周围甩出的一缕缕秀发。其实，合成这张照片所用的数据依旧是两年前的同一批。EHT（事件视界望远镜）所拍摄的数据中是包含偏振信息的，但两年前黑洞的首秀并没有体现偏振信息。而这一张，则是三个工作组独立采用不同方法处理出来的一致的包含偏振信息的图像。
为何需要这些偏振信息？
在自然界中，光源发出的自然光一般是不含偏振属性的。但在强大磁场中产生的光，则具有很好的偏振性。因此，拍摄黑洞的偏振照片就为研究黑洞的磁场提供了窗口。在图1照片中，周围那些丝状物的亮度就反映了偏振的强度。
图3：M87的喷流（图像来源: https://apod.nasa.gov/apod/ap110828.html）；
如果观察黑洞周围的图像，我们会发现这里有一条长长的“尾巴”，这就是黑洞的喷流（如图3所示）。吸积盘上大量的物质在一系列复杂的相互作用下，从黑洞的两极喷出（这并不是霍金辐射，霍金辐射理论上比这弱得多）。图4显示了M87黑洞的喷流和黑洞的偏振图像，黑洞相对喷流而言，显得异常的致密。长期以来，科学家认为这些相对论性喷流的产生与磁场密切相关（如图5所示）。所以，为了研究这一喷流是如何产生的，获得黑洞周围的磁场分布情况尤为重要。
图4：黑洞本身在喷流面前显得十分小。(来源： https://www.eso.org/public/images/eso2105c/)。
正如EHT偏振测量工作组成员、荷兰Radboud Universiteit助理教授Monika Mościbrodzka所说[1]：“我们现在正看到另一极端关键的观测证据，让我们理解黑洞周围的磁场活动的是如何在如此致密区域产生超过星系尺度的喷流”。
图5：黑洞喷流产生的物理图像（来源：https://www.iaa.csic.es/~jlgomez/Jose_L._Gomez/Animations_files/agn_wolli_2_1.jpg）。
黑洞这样一个神秘的天体有着太多奇妙的特性，目前，EHT组织也在积极地计划修建更多亚毫米波段望远镜，以期获得更多更好的黑洞图像。
参考文献
[1] Astronomers Image Magnetic Fields at the Edge of M87’s Black Hole. EHT, 24 Mar. 2021.https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-image-magnetic-fields-edge-m87s-black-hole
[2] First M87 Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 910, L12, 24 March 2021 doi:10.3847/2041-8213/abe71d
[3] First M87 Event Horizon Telescope Results. VIII. Magnetic Field Structure near The Event Horizon, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 910, L13, 24 March 2021 doi:10.3847/2041-8213/abe4de
[4] Gillessen, Stefan; et al.. Monitoring stellar orbits around the Massive Black Hole in the Galactic Center. Astrophysical Journal. 2009, 692: 1075–109. doi:10.1088/0004-637X/692/2/1075.
[5] Gebhardt K., Thomas J., 2009, ApJ, 700, 1690
