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黑洞偏振照片细节升级,是如何拍摄的?能否解开黑洞喷流之谜?

曾发布过人类首张黑洞照片的由多国科学家组成的视界面望远镜团队再度联合召开发布会,发布首张由视界面望远镜阵列拍摄到的黑洞偏振照片,照片中的M87星系中心黑洞的吸积盘犹如甩起一头柔顺的秀发,柔美而让人迷惑:这是啥?为何能解开黑洞喷流之谜?

这个萌翻网友的橙红色甜甜圈其实是围绕在黑洞周围的吸积盘,里面的等离子体绕着中心黑影处的黑洞高速旋转着。由于多普勒频移效应,向我们靠近的半圈(上半部分)与远离我们的半圈(下半部分)就产生了强烈的明暗的光效。

而图中这一缕缕犹如秀发般的线条,其实是反映了是黑洞吸积盘上说发出光子的偏振方向。

什么是偏振?

那么问题来了,偏振是啥?为啥会有偏振?说起偏振,很多人一定都有接触过,那就是电影院里的3D电影,它的原理就是利用了光的偏振,两种互相垂直的偏振光播放不同视角的两个画面,然后被两块互相垂直的偏振镜片过滤后,我们的左右眼就只能看到其中一个偏振的画面,由于这两个画面是由不同的视角拍摄的,合成的画面存在景深,就使我们的大脑脑补出立体的画面。

“道理我都懂,但是偏振究竟是个啥?”偏振其实就是电磁波的振动方向,光是一种电磁波,是互相垂直并交替变化的电场和磁场光速向外传播,三者皆彼此互相垂直,也就是电场方向、磁场方向和传播方向均互相垂直。其中电场的方向就是偏振方向。如下图:

M87中心黑洞的偏振是如何产生的?

在自然界中,自然光源发出的可见光一般都是自然光,属于非偏振光,没有特定的偏振方向,不过当非偏振光经过特定表面产生反射时,频率较低的同时有时会变成偏振光,但是问题来了,黑洞的吸积盘是直接发光传播到我们视界面望远镜里的,并没有经过二次反射,它为什么会产生偏振光?答案就是黑洞那强大的磁场!

黑洞那强大的磁场又是如何产生?

当黑洞周围的气体落入高速自旋的M87星系中心黑洞过程中,会绕着黑洞高速旋转形成一个气体盘,期间内层气体与外层气体由于速度差发生摩擦从而产生高温,高温导致吸积盘上的气体发生电离,变成游离的带电粒子,成为一个等离子体盘。高速旋转的等离子体就产生了强大的磁场。而强大的磁场就产生了极化的电磁波,也就是偏振光。

黑洞的偏振照片如果拍摄?

虽然吸积盘产生的强度磁场能使电磁波产生特定偏振,但其实此次捕获的偏振只占整体辐射的10%不到。这是由于多种因素导致的,包括了望远镜的分辨率,如果没有足够分辨率,不同方向的偏振光就会叠加在一起导致无法分辨偏振信息。另外距离视界较近的部分由于引力红移导致较为暗弱,偏振度也较低。还有一种称为法拉第旋转效应也会导致偏振光在在磁化介质中发生旋转从而丢失偏振信息。不过这种旋转效应的影响会随着偏振光频率的增加而减弱,由于视界面望远镜采样的是在射电波段里频率相对较高的毫米波,波长仅为1.3毫米,因此得以保存足够的偏振信息,而有效基线相当于地球直径的视界面望远镜干涉阵列为拍摄提供了足够的分辨率,使这张偏振图片最终得以成像。

那么具体是怎么拍摄呢?既然要拍摄偏振光,自然要使先获其不同偏转角下的画面,然后根据不同偏转角获得的画面绘制出偏转角变化的曲线,最终呈现出来就是图一的效果。但实际上这次的偏振光信息是拍摄第一张黑洞照片时获得的,并不是专门重新拍摄,而是通过后期的偏振校对获得偏振信息,参与偏振校对的三个工作组分别用不同方式得到非常一致的偏振图像,最终获得这张照片。至于具体偏振校对的方法,好像并没有说……

获得黑洞吸积盘偏振信息有何意义?或能解开黑洞喷流形成之谜

吸积盘射电信号里的偏振信息包含了黑洞磁场的信息,是科学家用以研究5500光年外的黑洞强大磁场的重要资料。M87星系中心黑洞有一个非常知名的天文景观,就是它喷出的长达数千光年的高速喷流。

这种被称为相对论性喷流汇集成一束异常集中的射流以接近光速的速度被喷射出去,科学家一直对这种黑洞喷流的形成机制不太确定,目前主流的理论解释是黑洞吸积盘产生的强大磁场,在高速旋转中缠绕的磁力线使流向两极的等离子体集中成一束狭小的喷流。而通过偏振信息对黑洞磁场的研究将有助于科学家研究确认或修正关于黑洞喷流形成和演化的相关理论。

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