M87*黑洞新图像揭示偏振方向出乎意料的翻转

【导语】事件视界望远镜（EHT）合作组发布M87星系中心超大质量黑洞新图像，揭示其周围动态环境与偏振辐射随时间的显著演化。通过多年观测，科学家首次捕捉到黑洞(dòng)磁(cí)场(chǎng)方(fāng)向(xiàng)翻(fān)转(zhuǎn)的(de)证(zhèng)据(jù)，并(bìng)发(fā)现(xiàn)喷(pēn)流(liú)底(dǐ)部(bù)辐(fú)射(shè)特(tè)征(zhēng)，为(wèi)理(lǐ)解(jiě)黑(hēi)洞(dòng)极(jí)端(duān)环(huán)境(jìng)下(xià)的(de)物(wù)理(lǐ)过(guò)程(chéng)提(tí)供(gōng)新(xīn)视(shì)角(jiǎo)。相(xiāng)关成(chéng)果(guǒ)于(yú)9月16日正式发表于《天文学与天体物理学》。

·事件视界望远镜持续提升其观测能力，多年观测捕捉到超大质量黑洞周围不断演变的偏振模式，并在其喷流底部探测到230 GHz辐射，新研究成果揭示了M87*黑洞周围的动态环境并深化了科学家对黑洞物理性质的认知。

事件视界望远镜（EHT）合作组发布M87星系中心超大质量黑洞的新图像，揭示黑洞附近偏振辐射随时间的演化。科学家还首次在EHT数据中发现了连接黑洞环状结构与喷流底部的延伸辐射的迹象。最新研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)为(wèi)人(rén)们(men)理(lǐ)解(jiě)黑(hēi)洞(dòng)周(zhōu)围(wéi)极(jí)端(duān)环(huán)境(jìng)下(xià)的(de)物(wù)理(lǐ)过(guò)程(chéng)提(tí)供(gōng)新(xīn)视(shì)角(jiǎo)，相(xiāng)关成(chéng)果(guǒ)9月(yuè)16日(rì)正(zhèng)式(shì)发(fā)表(biǎo)在(zài)《天(tiān)文学(xué)与(yǔ)天(tiān)体(tǐ)物(wù)理(lǐ)学(xué)》（Astronomy & Astrophysics）上。

M87星系距地球约5500万光年，其中心黑洞质量是太阳的60亿倍以上。EHT是由全球射电望远镜联合组网的“地球般大小的望远镜”，2019年发布的首张黑洞照片拍摄于2017年，其偏振结果于2021年公布。如今，通过对比分别拍摄于2017年、2018年和2021年的观测数据，科学家在揭示黑洞磁场时变方面取得了新进展。

事件视界望远镜（EHT）合作组发布的最新图像揭示了超大质量黑洞M87*周围一个动态环境，表现出不断变化的磁场偏振模式。如图所示，白色的线显示的是观测到电磁波的电场矢量方向，与该局部区域的磁场方向垂直。由图可以看出M87*附近磁场分布在2017年由里向外呈逆时针方向（左），2018年与2017年基本一致（中），而2021年磁场分布则反转成顺时针方向（右）。

研究发现，2017年至2021年间，偏振方向发生翻转：M87*附近磁场分布在2017年由里向外呈逆时针方向，2018年与2017年基本一致，而2021年磁场分布则反转成顺时针方向。这种磁场方向随时间变化的累积效应表明M87*及其周边环境处于持续演化状态。

研究人员认为，这种偏振旋转方向的明显变化可能源于内部磁结构与外部效应（如法拉第屏）的共同作用。偏振的演化反映出黑洞周围湍动不止的环境，而其中磁场在物质如何落入黑洞以及如何向外释放能量方面发挥着关键作用。

“令人惊叹的是，环大小在4年内保持一致，证实了爱因斯坦广义相对论预言的黑洞阴影，但其偏振模式却发生了显著变化。”哈佛-史密森尼天体物理中心天文学家、本研究共同负责人Paul Tiede表示，“这表明事件视界附近磁化等离子体远非静止不变的，而是时刻变化且极其复杂的，正在逼近我们现有理论模型的极限。”

“偏振方向在2017年到2021年的4年间发生翻转是完全出乎意料的。”庆熙大学天文学家、该项目合作者Jongho Park解释，这既挑战了现有模型，也说明在事件视界附近还有许多人类尚未理解的事。

类(lèi)似(shì)M87这(zhè)样(yàng)的(de)蕴(yùn)含(hán)超(chāo)大(dà)能(néng)量(liàng)的(de)喷(pēn)流(liú)，通(tōng)过(guò)调(diào)节(jié)恒(héng)星(xīng)形(xíng)成(chéng)和(hé)大(dà)尺(chǐ)度(dù)上(shàng)的(de)能(néng)量(liàng)分(fēn)配(pèi)，在(zài)星(xīng)系(xì)演(yǎn)化(huà)中(zhōng)发(fā)挥(huī)着(zhe)至(zhì)关重(zhòng)要(yào)的(de)作(zuò)用(yòng)。这(zhè)种(zhǒng)强(qiáng)大(dà)的(de)喷(pēn)流能产生包括伽马射线和中微子在内的全电磁波辐射，为研究宇宙极端现象的形成机制提供了一个独特的实验室。此次最新发现为破解该谜题提供了至关重要的一块拼图。

值(zhí)得(de)注(zhù)意(yì)的(de)是(shì)，2021年(nián)的(de)观(guān)测(cè)新(xīn)增(zēng)了(le)两(liǎng)个(gè)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)，即(jí)美(měi)国(guó)亚(yà)利(lì)桑(sāng)那(nà)基(jī)特(tè)峰(fēng)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)（Kitt Peak）和(hé)法(fǎ)国(guó)NOEMA阵(zhèn)列(liè)，这(zhè)显(xiǎn)著(zhe)提(tí)升(shēng)了(le)EHT的(de)灵(líng)敏(mǐn)度(dù)和(hé)成(chéng)像(xiàng)清(qīng)晰(xī)度(dù)，使(shǐ)得(de)科(kē)学(xué)家(jiā)首(shǒu)次(cì)成(chéng)功(gōng)通(tōng)过(guò)EHT约(yuē)束(shù)M87以接近光速远离黑洞的相对论喷流底部的辐射方向。此外，格陵兰望远镜（Greenland Telescope）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）的性能升级也进一步提高了数据质量。

“年复一年，我们通过新增望远镜、改进仪器性能以及开发新算法等不断扩展和升级EHT。”合作负责人之一、EHT科学委员会成员、荷兰奈梅亨拉德堡德大学(xué)助(zhù)理(lǐ)教(jiào)授(shòu)Michael Janssen补(bǔ)充(chōng)道(dào)，“此(cǐ)项(xiàng)成(chéng)果(guǒ)正(zhèng)是(shì)这(zhè)些(xiē)多(duō)方(fāng)面(miàn)升(shēng)级(jí)共(gòng)同(tóng)作(zuò)用(yòng)产(chǎn)生(shēng)的(de)科(kē)学(xué)突(tū)破(pò)。由(yóu)此(cǐ)激(jī)发(fā)的(de)新(xīn)的(de)科(kē)学(xué)问(wèn)题(tí)，无(wú)疑(yí)将(jiāng)引(yǐn)领(lǐng)我(wǒ)们(men)今(jīn)后(hòu)多(duō)年(nián)的(de)探(tàn)索(suǒ)方(fāng)向(xiàng)。” 

上(shàng)海(hǎi)天(tiān)文台研究员沈志强表示，“我们也一直在多方面参与技术革新，例如目前前沿的多频同时接收、原始数据的相关处理、频率相位传递校准和成图技术等，以及推进相关科学突破。”