黑洞的新面孔：从“光环”到“偏振指纹”

|作者：侯业辉1 郭敏勇2 陈斌3,†

(1 上海交通大学李政道研究所）

(2 北京师范大学物理与天文学院）

(3 宁波大学 基础物理与量子科技研究院）

本文选自《物理》2025年第10期

1引 言

2019年4月10日，一张模糊的橙色光环照片震撼了全世界。这是人类历史上第一张黑洞照片，由“事件视界望远镜”(EHT)合作组拍摄，展现了位于M87星系中心的超大质量黑洞的“阴影”[1]，如图1所示。2022年，EHT又公布了银河系中心黑洞SgrA*的图像[2]，再次让人类“看见”了宇宙中最神秘的天体之一。

图1 (a，b)EHT公布的M87*和SgrA*的黑洞成像照片，其中亮度反映辐射的亮温分布；(c，d)EHT公布的M87*和SgrA*的偏振结构图像

但这仅仅是开始。就像医生通过X光片不仅要“看到”骨头，还要“读懂”病情一样，天体物理学家也在努力解读这些黑洞图像背后的物理信息：这个黑洞有多重？它在自转吗？它转得有多快？这些问题的答案，藏在图像中微妙的细节里。

最近，科学家们发现了一种全新的“解码”方式：通过分析图像中非常靠近黑洞事件视界那部分的“偏振”信息，我们或许能读出黑洞独一无二的“指纹”，甚至测出它的自转速度[3]。这项突破性的理论研究为我们认识黑洞、检验爱因斯坦的广义相对论，打开了一扇新的窗口。

2光的偏振

我们每天都在接触光，但光不仅有颜色、亮度等属性，它还有一个不太容易察觉但非常重要的特性：偏振。简单来说，偏振描述的是光波振动的方向。

其实，我们生活中经常遇到偏振现象。比如偏光太阳镜，它利用光的偏振特性来减少反射眩光。偏振镜片仅允许振动方向与偏振轴平行的光线通过，从而将杂散光转换为平行光，消除不规则反射产生的眩光，让视野更清晰。再比如，很多液晶屏幕(如手机或笔记本)也会利用偏振原理成像，这就是为什么当从某个角度看屏幕时会变黑或变色的原因。

在宇宙中，光的偏振常常受到磁场的影响。例如，当带电粒子在强磁场中高速运动时，会发出一种叫“同步辐射”的光，这种光往往是高度线偏振的[4]。也就是说，它的振动方向并不是杂乱无章的，而是有规律的。这种规律性，正是科学家解码黑洞图像的关键。

3旋转的黑洞会“搅动”时空

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，黑洞不仅能扭曲空间和时间，还能“拖动”它们。想象一下，一个巨大的陀螺在水中旋转，会带动周围的水流跟着打转。类似地，一个旋转的黑洞也会让周围的时空“旋转”——这就是所谓的“参考系拖曳效应”[5]。图2给出了旋转黑洞所导致的时空拖曳效应的艺术化呈现。

图2　旋转黑洞所引起的时空拖曳效应的艺术化示意图

这个概念听起来有些抽象，但它其实有现实中的实例。比如，地球本身也是一个旋转的天体，它的自转会对周围的时空造成微弱的拖曳效应。科学家通过精密实验，比如利用激光陀螺仪或测量人造卫星轨道的微小偏移，已经在地球附近验证了这一效应[6，7]。甚至我们日常使用的GPS系统，除了高速运动导致的狭义相对论效应之外，也必须考虑时空弯曲带来的广义相对论，才能保证定位的准确性。

而在黑洞附近，这种拖曳效应会变得极其强烈。它扭曲黑洞周围磁场的形状，改变光的传播路径[8]。

4黑洞的“指纹”能告诉我们什么？

人们常常把黑洞想象成一个“吞噬一切”的黑暗巨兽，但实际上，我们看到的黑洞图像更多是它周围的吸积物质，也就是被黑洞引力吸引、围绕它高速旋转的气体和尘埃[9]。

黑洞的自旋，是描述其旋转状态的一个基本物理量。它不仅决定了黑洞吞噬周围物质的方式，还影响其释放能量的效率，甚至可能对整个星系的结构与演化产生深远影响。比如，一些高速旋转的黑洞会从两极喷射出强大的等离子体喷流[10]，绵延数十万光年，对星系中的气体分布和恒星形成起到“调控”作用。

作为黑洞的关键参数，自旋的测量在天体物理学中占据重要地位。然而，迄今为止，如何实现对黑洞自旋的精准测定，仍然是一大挑战。传统方法通常依赖于分析X射线的发射谱，或追踪吸积盘中物质的运动轨迹[11，12]。这些方法往往需要建立复杂的理论模型，对吸积盘的温度、密度、视角等参数做出假设，因此结果容易受到模型不确定性和吸积状态变化的干扰，精度有限。

为突破这一瓶颈，我们研究团队聚焦于旋转黑洞附近的极端物理环境。研究发现，在黑洞自旋引发的“参考系拖曳效应”作用下，事件视界附近的磁场线会被扭曲成高度螺旋状的结构，进而引导等离子体沿特定方向运动。这种有序的磁场与等离子体分布，会在偏振图像中留下清晰而 稳定的“指纹”特征[3]。

更为重要的是，这种“近视界偏振”模式具有高度的普适性：在理想条件下，其形态主要由黑洞自身的时空几何决定，而对吸积物质的具体细节(如速度、密度、温度等)依赖甚微。换句话说，无论黑洞周围的气体如何流动、磁场如何改变，这些偏振特征依然稳定存在，成为直接反映黑洞“个性”的物理标记。图3给出了旋转黑洞事件视界附近所呈现的典型偏振图案。

图3　观者的像平面上事件视界边缘的偏振分布，其中双向箭头表示了线偏振的方向。图中

a

通俗地说，这种偏振图像就像黑洞留下的“签名”，每一个黑洞都有一套独特的偏振结构，记录着它的旋转状态。就像我们通过指纹识别身份，科学家也可以通过这些“偏振指纹”识别黑洞的自旋方向和快慢。具体而言，黑洞自旋直接决定了事件视界附近电矢量偏振角的取向：当自旋接近零时，偏振呈径向分布，电矢量偏振角为0°；随着自旋增加，偏振逐渐展现出螺旋结构；在极高自旋极限下，电矢量偏振角约为-26.8°。这种方法不仅更直接、更稳定，还为未来黑洞参数的测量提供了一种全新的观测途径。

相关研究成果已发表于

The Astrophysical Journal Letters

5未来的黑洞观测新视角

目前，EHT已经能够测量黑洞图像中的偏振信息，并在2021年和2024年先后公布了M87*和SgrA*的偏振图像[13，14]，如图1(c)，(d)所示。这些图像显示，黑洞周围的磁场呈现出高度有序的结构，支持了同步辐射和偏振的理论预期。

随着望远镜阵列的扩展和观测技术的进步，未来的黑洞图像将更加清晰，偏振测量也将更精确[15]。这将使科学家们能够真正应用近视界“偏振指纹”技术，大规模测量黑洞的自旋，为我们绘制一幅宇宙黑洞的“性格地图”。

不仅如此，如果某一天科学家发现某个黑洞的近视界偏振图像与爱因斯坦的预测不符，那可能意味着我们对引力的理解还不完整，甚至可能发现新的物理规律。这正是科学最令人激动的地方：每一次观测，都是一次对宇宙基本法则的挑战。

6从看见到理解，黑洞不再神秘

从最初的“黑洞剪影”，到如今的“黑洞指纹”，人类对宇宙最神秘天体的认识正一步步深入。偏振图像不仅是技术上的突破，更是观念上的飞跃——它让我们意识到，黑洞并不是一个简单的“黑点”，而是一个有结构、有性格，甚至有“表情”的宇宙角色。

未来，随着观测技术的不断提升和理论模型的不断完善，我们或许能真正“看见”黑洞的内部，甚至揭开宇宙最深处的秘密。而这一切，正是从那一束有方向的光开始的。

参考文献

[1] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2019，875(1)：L1

[2] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2022，930(2)：L12

[3] Hou Y H et al. Astrophys. J. Lett.，2025，988(2)：L51

[4] Rybicki G B，Lightman A P. Radiative Processes in Astrophysics. John Wiley & Sons，2024

[5] Lense J，Thirring H. Physikalische Zeitschrift，1918，19：156

[6] Ciufolini I，Pavlis E C. Nature，2004，431(7011)：958

[7] Everitt C W F et al. Phys. Rev. Lett.，2011，106(22)：221101

[8] Bardeen J M，Press W H，Teukolsky S A. Astrophys. J.，1972，178：347

[9] Frank J，King A R，Raine D. Accretion Power in Astrophysics. Cambridge University Press，2002

[10] Blandford R et al. Ann. Rev. Astron. Astrophys，2019，57：467

[11] Fabian A C et al. MNRAS，1989，238(3)：729

[12] Stella L，Vietri M. Astrophys. J.，1997，492(1)：L59

[13] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2021，910(1)：L12

[14] Event Horizon Telescope Collaboration，Astrophys. J. Lett.，2024，964(2)：L25

[15] Johnson M D et al. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng.，2024，13092：130922D

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