1783 年 11 月，一位英國(guó)自然哲學(xué)家、牧師 John Michell 在寫(xiě)給物理學(xué)家卡文迪什 （Henry Cavendish）的一封信中，首先提出可能存在一種暗天體（dark body）或暗星（dark star），其密度極大，擁有連光都無(wú)法逃逸的巨大引力。

 

自 John Michell 第一個(gè)提出存在“暗天體”至今，人類對(duì)這一神秘天體的探索從未停止。

 

幸運(yùn)的是，生活在 21 世紀(jì)的我們雖難知其全貌，卻也看到了珍貴的黑洞照片。

 

2019 年 4 月，由全球 30 多個(gè)研究單位組成的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）團(tuán)隊(duì)公布了首張黑洞照片，這張照片來(lái)自 M87 星系黑洞。

 

 

隨后在 2020 年 4 月，天文學(xué)家們又公布了全球第二張黑洞照片，即一張 2017 年 4 月拍攝到的 55 億光年外的類星體 3C 279 中央核心及其射流起源的圖片。

 

 

而關(guān)于黑洞研究的最新消息是：2021 年 3 月 24 日，EHT 團(tuán)隊(duì)再次公布了一張黑洞照片——這是 2019 年 4 月公布的 M87 星系黑洞照片在偏振光下的影像。

 

有人說(shuō)，人類史上第一張黑洞照片如今更加清晰了，實(shí)際上照片中的線條標(biāo)記了偏振方向，與黑洞陰影周圍的磁場(chǎng)有關(guān)。

 

用科學(xué)家們的話說(shuō)就是：EHT 團(tuán)隊(duì)為揭示這個(gè)超大質(zhì)量黑洞提供了一個(gè)嶄新的視角。

 

何為黑洞？

 

了解 EHT 團(tuán)隊(duì)的研究前，先來(lái)了解一下黑洞。

 

大約在 John Michell 信中提到存在“暗天體”的 132 年后，一位你我都不陌生的物理學(xué)大牛再次預(yù)言了其存在。

 

 

1915 年，愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）完成了廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)，并于次年正式發(fā)表。

 

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言，在宇宙空間中存在一種天體，是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。這種天體密度極大、體積極小，引力也極其強(qiáng)大，強(qiáng)到連光線都被吸引，無(wú)法逃逸。

 

不久后，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西為這一預(yù)言做了精確解。

 

史瓦西通過(guò)計(jì)算得到了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，這個(gè)解表明，如果一個(gè)靜態(tài)球?qū)ΨQ星體的實(shí)際半徑小于一個(gè)定值（這里指著名的史瓦西半徑），周圍就會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象：一旦進(jìn)入一個(gè)被稱為“視界”的界面，即便是光也無(wú)法逃脫（這里指事件視界，即一種時(shí)空的界線。

 

事件視界中，引力巨大，黑洞附近的逃逸速度大于光速，任何光線皆不可能逃脫；事件視界外，物體則不會(huì)受到黑洞影響）。

 

直至 1969 年，美國(guó)天體物理學(xué)家 John Archibald Wheeler 首次提出了“黑洞”的概念。

 

此后，黑洞的定義則是：時(shí)空曲率大到光都無(wú)法從其事件視界逃脫的天體。

 

探索黑洞，何其不易

 

不論預(yù)言也好，計(jì)算也罷，都無(wú)法真正感知黑洞的存在，更不必談進(jìn)一步探索。

 

但值得一提的是，1964 年，美國(guó)探空火箭發(fā)現(xiàn)了一個(gè)位于位于天鵝座方向的雙星系統(tǒng)“天鵝座 X-1”。

 

天鵝座 X-1 作為一個(gè) X 射線雙星系統(tǒng)，包含著一個(gè)能產(chǎn)生 X 射線源的致密星和一顆藍(lán)巨星。

 

當(dāng)時(shí)，英國(guó)理論物理學(xué)家史蒂芬·霍金和美國(guó)理論物理學(xué)家 Kip Stephen Thorne 曾拿天鵝座 X-1 打賭。

 

霍金賭天鵝座 X-1 并非是黑洞，但隨后越來(lái)越多的觀測(cè)證據(jù)擺在眼前，霍金也在 1990 年承認(rèn)天鵝座 X-1 就是黑洞，也是人類在實(shí)際探索中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞。

 

通過(guò)這個(gè)例子不難看出，人類對(duì)黑洞的探索相當(dāng)艱難，很大一部分原因在于黑洞無(wú)法直接被觀測(cè)到，科學(xué)家只能間接得知其存在、質(zhì)量大小及對(duì)其他事物的影響。

 

具體而言，物體被黑洞吸入之前，其引力帶來(lái)的加速度會(huì)導(dǎo)致摩擦，進(jìn)而釋放出一些訊息，而這就是科學(xué)家判斷黑洞存在的關(guān)鍵證據(jù)（借由間接觀測(cè)恒星或星際云氣團(tuán)繞行的軌跡，也能尋到一些蛛絲馬跡）。

 

黑洞對(duì)于很多人而言，或許就像諾蘭的電影，不要試著去理解，感受就好（手動(dòng)狗頭）。

 

為進(jìn)一步了解黑洞，科學(xué)家們用到了一個(gè)工具——一種名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope, EHT）的由 8 個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡（射電望遠(yuǎn)鏡是指觀測(cè)、研究來(lái)自天體的射電波的基本設(shè)備）形成的網(wǎng)絡(luò)，它主要嘗試觀測(cè)的是事件視界。

 

 

2006 年，來(lái)自全球 30 多個(gè)研究所的科學(xué)家們聯(lián)合起來(lái)，發(fā)起了給黑洞拍照的計(jì)劃。

 

雷鋒網(wǎng)此前曾報(bào)道，這一計(jì)劃之下，分布在各地的 8 個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)同一目標(biāo)源、記錄數(shù)據(jù)，從而形成一個(gè)口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，將望遠(yuǎn)鏡的角分辨率提升至足以觀測(cè)事件視界尺度結(jié)構(gòu)的程度。

 

就 EHT 的分辨能力，中國(guó)科學(xué)院有一個(gè)生動(dòng)的比喻：相當(dāng)于在地球上看清月面上一張信用卡所需的分辨率。

 

2017 年 4 月，黑洞照片的拍攝工作完成，科學(xué)家們開(kāi)始了數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

 

終于，美國(guó)東部時(shí)間 2019 年 4 月 10 日 9 時(shí)，美國(guó)華盛頓、中國(guó)上海和臺(tái)北、智利圣地亞哥、比利時(shí)布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同時(shí)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，公開(kāi)了人類獲得的第一張黑洞照片。

 

照片顯示了一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)中央的黑色區(qū)域正是黑洞的陰影。

 

為此，EHT 團(tuán)隊(duì)于 2019 年 9 月獲得了科學(xué)突破獎(jiǎng)基礎(chǔ)物理獎(jiǎng)。

 

首張黑洞偏振圖像發(fā)布

 

距離第一張黑洞照片公布，已過(guò)去近兩年。

 

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2021 年 3 月 24 日，3 篇來(lái)自 EHT 團(tuán)隊(duì)的論文發(fā)表于《天體物理雜志快報(bào)》，論文合著者均多達(dá)數(shù)百位。

 

論文主要涉及黑洞邊緣的偏振特性，與有組織的極向磁場(chǎng)有關(guān)。

 

對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院表示：

 

這是天文學(xué)家第一次在如此接近黑洞邊緣處測(cè)得表征磁場(chǎng)特征的偏振信息，該結(jié)果對(duì)解釋距離地球 5500 萬(wàn)光年的 M87 星系如何從其核心向外傳播能量巨大的噴流具有關(guān)鍵意義。

 

其研究對(duì)象 M87 星系黑洞，是位于 M87 星系（即處女座）的一個(gè)巨大黑洞，其質(zhì)量約有 30-60 億個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，與太陽(yáng)系距離約 5000 萬(wàn)光年——當(dāng)前，科學(xué)家們選定的主要觀測(cè)目標(biāo)便是 M87 星系黑洞和位于銀河系中心的 Sgr A*（即人馬座 A*）黑洞。

 

EHT 團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入研究 M87 星系黑洞的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：M87 黑洞周圍的相當(dāng)一部分光是偏振的。

 

 

偏振（polarization）又稱極化，指的是橫波振動(dòng)矢量（即垂直于波的傳播方向）偏于某些方向的一種現(xiàn)象。這種振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性，是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯標(biāo)志。

 

據(jù)上海天文臺(tái)介紹：

 

在射電天文領(lǐng)域，我們接收到的大部分天體信號(hào)是偏振光。不過(guò)，由于偏振特征會(huì)由于疊加效應(yīng)被削弱，且在黑洞附近的致密區(qū)域里，光深通常也會(huì)影響偏振程度。

 

上海天文臺(tái)認(rèn)為，EHT 能夠拍攝到 M87 黑洞陰影周圍的高分辨率偏振圖像，主要原因在于：

 

EHT 的分辨本領(lǐng)高，能夠分解開(kāi)致密區(qū)域；

 

觀測(cè)波段在短毫米波段，從而大大削弱了偏振程度所受到的影響。

 

雷鋒網(wǎng)注意到，EHT 團(tuán)隊(duì)成員、上海天文臺(tái)副研究員江悟表示：

 

常規(guī) VLBI（甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)）偏振測(cè)量存在困難，EHT 得到這個(gè)偏振圖像更充滿了挑戰(zhàn)。所以在首張黑洞圖像出爐后，偏振圖像的面世花費(fèi)了近兩年。

 

無(wú)疑，這一科研成果再一次加深了人類對(duì)黑洞的認(rèn)知。