强大的磁场围绕我们银河系的超大质量黑洞旋转

EHT合作组织的最新发现揭示了人马座A*周围强大而有组织的磁场，这表明黑洞之间存在共同的特征。与M87的黑洞的详细比较显示了相似之处，暗示了黑洞的普遍特征。 未来观测技术的提高有望让我们对黑洞有更深入的了解和更详细的成像。

事件地平线望远镜（EHT）合作小组于2022年首次拍摄到了银河系黑洞的图像，这次又拍摄到了银河系中心这个巨大天体的新景象：它在偏振光下的样子。 这是天文学家第一次能够在如此接近人马座 A* 边缘的地方测量偏振光（磁场的一种特征）。 这张图片显示了银河系黑洞的偏振视图。 图像上叠加的线条标记了偏振的方向，这与黑洞阴影周围的磁场有关。 图片来源：EHT 合作小组

今年早些时候，事件地平线望远镜（EHT）合作小组发布了一张新图像，揭示了从超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*）边缘螺旋状延伸出来的强大而有组织的磁场。 这是首次用偏振光拍摄到的银河系中央黑洞的突破性景象，显示出与M87星系黑洞极为相似的磁场结构。

这表明强大的磁场可能是所有黑洞的共同特征。 这种相似性还提出了Sgr A*出现隐藏喷流的可能性。 这些发现发表在《天体物理学杂志通讯》上。

左图是银河系中心的超大质量黑洞人马座 A* 的偏振光，可见的线条表示偏振的方向，这与黑洞阴影周围的磁场有关。 中间是 SOFIA 拍摄到的银河系中心的偏振光。 右后方是普朗克合作小组绘制的整个银河系的尘埃偏振发射图。 图片来源：S. Issaoun，EHT 协作小组

科学家于 2022 年首次公开了 Sgr A* 的图像--它距离地球约 27000 光年，图像显示，虽然银河系的超大质量黑洞比 M87 小一千多倍，质量也小得多，但它看起来却非常相似。 这让科学家们不禁要问，这两个黑洞除了外形之外是否还有其他共同特征。 为了找出答案，研究小组决定用偏振光研究 Sgr A*。

以前对M87*周围光线的研究显示，黑洞巨行星周围的磁场使它能够向周围环境发射强大的物质射流。 在这项工作的基础上，新的图像显示 Sgr A* 可能也是如此。

CfANASA 哈勃奖学金计划爱因斯坦研究员、史密森天体物理天文台（SAO）天体物理学家兼该项目的共同负责人萨拉-伊萨恩（Sara Issaoun）说："我们现在看到的是，银河系中心的黑洞附近存在着强大、扭曲和有组织的磁场。我们了解到，强大而有序的磁场对于黑洞如何与周围的气体和物质相互作用至关重要。"

在偏振光下看到的这张超大质量黑洞 M87* 和人马座 A* 的并排图像向科学家们表明，这些黑洞具有相似的磁场结构。 这一点意义重大，因为它表明，支配黑洞进食和喷射的物理过程可能是超大质量黑洞的普遍特征。 资料来源：EHT 合作小组

光是一种振荡或移动的电磁波，它能让我们看到物体。 有时，光会以特定的方向摆动，我们称之为"偏振光"。 虽然偏振光环绕着我们，但在人类眼中，它与"正常"光是无法区分的。 在这些黑洞周围的等离子体中，围绕磁场线旋转的粒子会产生垂直于磁场的偏振模式。 这使得天文学家能够越来越生动地看到黑洞区域内发生的细节，并绘制出它们的磁场线。

哈佛大学黑洞计划研究员、项目共同负责人安杰洛-里卡尔特（Angelo Ricarte）说："通过对黑洞附近炽热发光气体的偏振光成像，我们可以直接推断出磁场的结构和强度，这些磁场贯穿着黑洞吸食和喷射的气体和物质流。偏振光能让我们更多地了解天体物理学、气体特性以及黑洞进食时发生的机制。"

但是，用偏振光成像黑洞并不像戴上一副偏振太阳镜那么容易，Sgr A*尤其如此，它的变化速度非常快，根本无法静止不动地拍照。 对这个超大质量黑洞进行成像需要复杂的工具，而这些工具远远超出了以前拍摄M87*时所使用的工具，因为M87*是一个更加稳定的目标。

CfA博士后研究员、SAO天体物理学家保罗-蒂德（Paul Tiede）说："我们能够拍摄到Sgr A*的偏振图像，实在令人兴奋。 我们花了几个月的时间对第一张图像进行了大量分析，以了解它的动力学性质并揭示其平均结构。 制作偏振图像增加了对黑洞周围磁场动态的挑战。 我们的模型通常会预测出高度湍动的磁场，因此极难构建偏振图像。 幸运的是，我们的黑洞要平静得多，使得第一幅图像成为可能。"

科学家们很高兴能获得两张偏振光下的超大质量黑洞图像，因为这些图像和随之而来的数据为比较和对比不同大小和质量的黑洞提供了新的方法。 随着技术的进步，这些图像很可能会揭示黑洞的更多秘密及其异同。

伊利诺伊大学香槟分校博士后研究员 Michi Bauböck 说："M87* 和 Sgr A* 在几个重要方面有所不同： M87* 要大得多，而且它从周围吸入物质的速度要快得多。 因此，我们可能会认为它的磁场看起来也非常不同。 但在这种情况下，它们却非常相似，这可能意味着这种结构是所有黑洞所共有的。 更好地了解黑洞附近的磁场有助于我们回答几个悬而未决的问题--从喷流是如何形成和发射的，到我们在红外线和 X 射线光下看到的明亮耀斑的动力是什么。"

自 2017 年以来，EHT 已经进行了多次观测，并计划于 2024 年 4 月再次观测 Sgr A*。 随着EHT采用新的望远镜、更大的带宽和新的观测频率，每年的图像都会有所改进。 未来十年的扩展计划将实现对 Sgr A* 的高保真拍摄，可能会发现一个隐藏的喷流，并能让天文学家观测到其他黑洞的类似偏振特征。 同时，将 EHT 扩展到太空将提供比以往更清晰的黑洞图像。

CfA正在领导几项重大计划，以在未来十年内大幅增强EHT。 下一代欧洲高温计（ngEHT）项目正在对欧洲高温计进行变革性升级，目的是将多个新的射电碟片联机，实现多色同步观测，并提高阵列的总体灵敏度。 ngEHT的扩展将使该阵列能够实时拍摄事件视界尺度上的超大质量黑洞。 这些影片将解析事件视界附近的详细结构和动力学，使广义相对论所预测的"强场"引力特征以及吸积和相对论喷流发射的相互作用成为焦点，而相对论喷流发射正是宇宙大尺度结构的雕刻。

同时，黑洞探测器（BHEX）任务概念将把 EHT 扩展到太空，产生天文学史上最清晰的图像。 BHEX 将实现对"光子环"的探测和成像--这是黑洞周围强透镜发射形成的尖锐环状特征。 黑洞的特性印刻在光子环的大小和形状上，揭示了数十个黑洞的质量和自旋，进而展示了这些奇特天体是如何生长并与其宿主星系相互作用的。

编译自/ScitechDaily