黑洞是什么样？它为什么有那么大的能量？怎么观测？

天文学家在2019年发布了一张史诗般的图像，震惊了世界，当时他们发布了一张史诗般的图像，显示物质在距离地球5500万光年的M87星系中心的超大质量黑洞周围旋转。天文学家将地球周围的射电望远镜连接起来，创建了“事件视界”望远镜，这是一个虚拟的、地球大小的望远镜，使这种惊人的观察成为可能。

更多的观察也表明，尽管环本身的形状和大小相当稳定，但黑洞周围物质的亮度仍然会发生变化。这些都有助于天文学家了解在物质最终跃入黑洞之前会发生什么。星系

M87有一股强大的物质射流从它的中央黑洞喷出，由即将落入黑洞的物质产生的巨大磁场提供动力。图片来源：NASA、ESA和HubbleHeritageTeam(STScI/AURA)；致谢：P.Cote（兹伯格天体物理研究所）和E.Baltz（斯坦福大学）

物质漩涡可以通过无线电波观察到它们发出的光远远超出我们的眼睛所能看到的范围。这种类型的光不是由加热物质产生的——尽管物质确实非常热——而是由嵌入物质中的强大而复杂的磁场产生的。尽管这张图片令人震惊，但它并没有告诉我们太多关于磁场的信息，磁场是驱动黑洞周围大量机械活动的力。

但迄今为止，已经发表了三篇相关论文。利用事件视界望远镜的数据，天文学家能够绘制出物质的偏振光，这是研究磁场的关键。

M87星系中心超大质量黑洞周围物质的实际图像，显示了喷射物质的偏振光方向。这是由物质的磁场引起的，它有助于大多数物质的喷射。资料来源：EHT

光可以被认为是一系列从物体带走能量的波。通常这些波的方向是随机的；如果你把它想象成一根吉他弦，你可以拨动它，它会上下、左右或任何方向振动。

然而，有些现象会发出整齐的波浪——就像弹吉他一样，琴弦水平振动。以这种方式排列的光波称为偏振光。您可能已经知道这个概念：从金属或玻璃反射的光可以被偏振。偏光太阳镜的滤光片中的分子全部排列在一个方向上，因此从水平表面反射的偏振光在穿过太阳镜时会被阻挡。只有与分子对齐的偏振光通过。

等离子体（一种从其原子中剥离一个或多个电子的气体）中的磁场也会导致偏振光的发射。电子以接近光速的速度绕着磁场线运行，当它们旋转时，它们会发出称为同步辐射的光。这种光在自旋方向被偏振，偏振强度可用于测量与等离子体和磁场相关的各种现象。

黑洞周围的物质形成了一个圆盘，我们可以看到它是黑洞周围的光晕（黑洞远端的圆盘是可见的，因为黑洞的强大引力将它向上弯曲并向我们盘旋）.来自环的偏振光与环本身平行，表明从黑洞到边缘有一个磁场围绕着环（这个磁场称为极向场，我觉得这很有趣）。

测量这种极化表明，黑洞附近的磁场非常强，磁场实际上有助于将物质保持在圆盘的内边缘，并暂时减缓一些物质落入黑洞的速度。他们测量了物质落入黑洞的速度，大约是每年0.0003-0.002个太阳质量。这听起来可能并不多，但实际上这意味着在范围的上端，黑洞每年多消耗两个木星物质。

或者，你倾向于这样的描述：黑洞一天两次吞噬相当于地球的物质。

（突然惊慌失措尖叫原地转圈）

太厉害了。他们还发现，磁场强度约为1-30高斯，即地球磁场强度的2到60倍。听起来可能不多，但范围却非常广，至少有数千亿公里。磁场的威力也是非常巨大的。

大力神A是一个相对较近的活跃星系的例子，其中心有一个黑洞，它吞噬物质，同时喷出大量辐射和物质。图片来源：NASA、ESA、S.Baum和C.O'Dea(RIT)、R.Perley和W.Cotton(NRAO/AUI/NSF)，以及哈勃遗产团队(STScI/AURA)

事实上，像这样的黑洞可以将物质和能量束发送到远离银盘的地方。天文学家称它们为喷流。这些喷流非常强大，可以延伸数十万光年，远大于整个星系。这股喷流的能量简直是惊人的；仅喷流物质的动能（运动的能量和加速运动所需的能量）就可能是太阳发出的能量的数十亿倍！

我们知道这些是磁现象，由吸积盘的内部磁场扭曲成龙卷风般的漩涡引起，但尚不清楚这是如何发生的。通过测量黑洞附近磁场的特性，天文学家将深入了解这些奇怪而可怕的强大特性。M87有这样的射流（由于相对论效应，我们只能看到一个粗略地向我们飞来），新研究也对它进行了分析。

M87超大质量黑洞放大图（从上到下）：哈勃图像呈现全局视图；ALMA天文台的观测显示整个射流都有偏振光；VLBA显示内部射流中的偏振光，而事件视界望远镜则观察到黑洞吸积盘中的偏振光。图片来源：EHT协作；ALMA(ESO/NAOJ/NRAO),Goddi等人；NASA、ESA和HubbleHeritageTeam(STScI/AURA)；VLBA(NRAO)、Kravchenko等人；J.C.Algaba,I.Martí-Vidal

测量光的偏振是一个极其困难和艰苦的过程，这就是为什么这些观察结果现在才发表；分析数据比制作我们两年前看到的图像花费的时间要长得多。但这些数据中包含的信息值得付出努力和等待。

对我来说，这个特殊黑洞的实际数据和机制虽然很酷，但并不是最有价值的。真正的价值在于知道我们可以做到。这是一项非常困难且具有开创性的工作，但它是可以做到的。可以通过这种方式研究的黑洞还有很多，包括位于银河系中心的400万太阳质量的庞然大物人马座A。我们可能需要更大、更强大的射电望远镜，可能还需要更强的计算机处理能力。但现有的观察表明，这是一个技术问题，一个可以解决的工程问题，而不是一个物理问题。

我们可以观察数百万光年外的物质，筛选特定种类的光，并利用这些信息更好地了解65亿个太阳质量的黑洞对真实空间结构的影响。我认为这非常值得了解。

作者：PhilPlait

FY：Roci

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