近日，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組發(fā)布了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的新圖像，揭示了黑洞附近偏振輻射隨時(shí)間的演化。科學(xué)家還首次在EHT數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了連接黑洞環(huán)狀結(jié)構(gòu)與噴流底部的延伸輻射的跡象。在北京時(shí)間9月16日發(fā)表于國際權(quán)威期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）的這項(xiàng)最新成果，為人們理解黑洞周圍極端環(huán)境下的物理過程提供了新視角。

M87星系距地球約5500萬光年，其中心黑洞質(zhì)量是太陽的60億倍以上。EHT是由全球射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合組網(wǎng)的“地球般大小的望遠(yuǎn)鏡”，2019年發(fā)布的首張黑洞照片拍攝于2017年，其偏振結(jié)果于2021年公布。如今，通過對比分別拍攝于2017年、2018年和2021年的觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家在揭示黑洞磁場時(shí)變方面取得了新的重要進(jìn)展。

事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組發(fā)布的最新圖像揭示了超大質(zhì)量黑洞M87*周圍一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境，表現(xiàn)出不斷變化的磁場偏振模式。如圖所示，白色的線顯示的是觀測到電磁波的電場矢量方向，與該局部區(qū)域的磁場方向垂直。由圖可以看出M87*附近磁場分布在2017年由里向外呈逆時(shí)針方向（左），2018年與2017年基本一致（中），而2021年磁場分布則反轉(zhuǎn)成順時(shí)針方向（右）。

“令人驚嘆的是，環(huán)大小在4年內(nèi)保持一致，證實(shí)了愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的黑洞陰影，但其偏振模式卻發(fā)生了顯著變化。”哈佛—史密森尼天體物理中心天文學(xué)家、本研究共同負(fù)責(zé)人保羅·蒂德指出，“這表明事件視界附近磁化等離子體遠(yuǎn)非靜止不變的，而是時(shí)刻變化且極其復(fù)雜的，正在逼近我們現(xiàn)有的理論模型的極限。”

“年復(fù)一年，我們通過新增望遠(yuǎn)鏡、改進(jìn)儀器性能以及開發(fā)新算法等不斷擴(kuò)展和升級EHT。”合作負(fù)責(zé)人之一、也是EHT科學(xué)委員會(huì)成員的荷蘭奈梅亨拉德堡德大學(xué)的助理教授邁克爾·詹森補(bǔ)充道，“此項(xiàng)成果正是這些多方面升級共同作用產(chǎn)生的科學(xué)突破。由此激發(fā)的新的科學(xué)問題，無疑將引領(lǐng)我們今后多年的探索方向。”

此次研究發(fā)現(xiàn)，2017年至2021年間，偏振方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)——2017年磁場呈一方向螺旋，2018年相對穩(wěn)定，而到2021年則完全反轉(zhuǎn)。這種偏振旋轉(zhuǎn)方向的明顯變化可能源于內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)與外部效應(yīng)（如法拉第屏）的共同作用。偏振的演化反映出黑洞周圍的湍動(dòng)不止的環(huán)境，而其中磁場在物質(zhì)如何落入黑洞以及如何向外釋放能量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

“偏振方向在2017年到2021年的四年間發(fā)生翻轉(zhuǎn)是完全出乎意料的，”慶熙大學(xué)的天文學(xué)家，也是該項(xiàng)目的合作者樸俊昊?解釋，“這既挑戰(zhàn)了現(xiàn)有模型，也說明在事件視界附近還有許多我們尚未理解的事情。”

至關(guān)重要的是，2021年的觀測新增了兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡——美國亞利桑那基特峰望遠(yuǎn)鏡和法國NOEMA陣列，顯著提升了EHT的靈敏度和成像清晰度。這使得科學(xué)家首次成功通過EHT約束M87以接近光速遠(yuǎn)離黑洞的相對論噴流底部的輻射方向。此外，格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）的性能升級也進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

“每次前往臺(tái)站參與現(xiàn)場觀測，都能真切地感受到EHT在不斷進(jìn)步——這是多次赴JCMT參加EHT觀測的上海天文臺(tái)同事給我最深刻的反饋。”上海天文臺(tái)沈志強(qiáng)研究員說，“我們也一直在多方面參與技術(shù)革新，例如目前前沿的多頻同時(shí)接收，原始數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，頻率相位傳遞校準(zhǔn)和成圖技術(shù)等，以及推進(jìn)相關(guān)科學(xué)突破。”

“改進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)使數(shù)據(jù)質(zhì)量和陣列性能有了顯著提升。”專注于該項(xiàng)目校準(zhǔn)的馬克斯·普朗克射電天文研究所博士后研究員塞巴斯蒂亞諾·馮·費(fèi)倫伯格表示，“NOEMA與西班牙IRAM 30米望遠(yuǎn)鏡之間，以及基特峰望遠(yuǎn)鏡與亞毫米波望遠(yuǎn)鏡之間形成的兩條新增的短基線，使我們能夠首次捕捉到噴流底部的微弱輻射。這種靈敏度的躍升還增強(qiáng)了我們對微弱偏振信號的檢測能力。”

類似M87這樣的蘊(yùn)含超大能量的噴流，通過調(diào)節(jié)恒星形成和大尺度上的能量分配，在星系演化中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這種強(qiáng)大的噴流能產(chǎn)生包括伽馬射線和中微子在內(nèi)的全電磁波輻射，為研究宇宙極端現(xiàn)象的形成機(jī)制提供了一個(gè)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)室。此次最新發(fā)現(xiàn)為破解該謎題提供了至關(guān)重要的一塊拼圖。

“這些結(jié)果展示了EHT如何發(fā)展成為一個(gè)成熟的天文臺(tái)，它不僅能拍出前所未有的黑洞照片，更讓我們能夠一步步深化對黑洞物理的認(rèn)知。”那不勒斯大學(xué)費(fèi)德里科二世的天文學(xué)教授和EHT項(xiàng)目科學(xué)家瑪麗亞費(fèi)莉西亞·德·勞倫蒂斯?解釋，“每一次新的觀測都在拓寬我們的研究邊界——無論是等離子體和磁場的動(dòng)力學(xué)過程，還是黑洞在宇宙演化中扮演的角色。這些都充分證明了EHT所具有的巨大科學(xué)潛力。”

隨著事件視界望遠(yuǎn)鏡持續(xù)提升其觀測能力，這些新成果揭示了M87*黑洞周圍的動(dòng)態(tài)環(huán)境并深化了科學(xué)家對黑洞物理性質(zhì)的認(rèn)知。

原標(biāo)題：《事件視界望遠(yuǎn)鏡發(fā)布M87*黑洞新圖像：揭示偏振方向的出乎意料的翻轉(zhuǎn)》

欄目編輯：王蕾 題圖東方IC 事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組

作者：新民晚報(bào) 郜陽