|作者：侯業(yè)輝1 郭敏勇2 陳斌3,?

(1 上海交通大學(xué)李政道研究所）

(2 北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院）

(3 寧波大學(xué) 基礎(chǔ)物理與量子科技研究院）

本文選自《物理》2025年第10期

1引 言

2019年4月10日，一張模糊的橙色光環(huán)照片震撼了全世界。這是人類歷史上第一張黑洞照片，由“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(EHT)合作組拍攝，展現(xiàn)了位于M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞的“陰影”[1]，如圖1所示。2022年，EHT又公布了銀河系中心黑洞SgrA*的圖像[2]，再次讓人類“看見”了宇宙中最神秘的天體之一。

圖1 (a，b)EHT公布的M87*和SgrA*的黑洞成像照片，其中亮度反映輻射的亮溫分布；(c，d)EHT公布的M87*和SgrA*的偏振結(jié)構(gòu)圖像

但這僅僅是開始。就像醫(yī)生通過X光片不僅要“看到”骨頭，還要“讀懂”病情一樣，天體物理學(xué)家也在努力解讀這些黑洞圖像背后的物理信息：這個(gè)黑洞有多重？它在自轉(zhuǎn)嗎？它轉(zhuǎn)得有多快？這些問題的答案，藏在圖像中微妙的細(xì)節(jié)里。

最近，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種全新的“解碼”方式：通過分析圖像中非?？拷诙词录暯缒遣糠值摹捌瘛毙畔ⅲ覀兓蛟S能讀出黑洞獨(dú)一無二的“指紋”，甚至測(cè)出它的自轉(zhuǎn)速度[3]。這項(xiàng)突破性的理論研究為我們認(rèn)識(shí)黑洞、檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，打開了一扇新的窗口。

2光的偏振

我們每天都在接觸光，但光不僅有顏色、亮度等屬性，它還有一個(gè)不太容易察覺但非常重要的特性：偏振。簡(jiǎn)單來說，偏振描述的是光波振動(dòng)的方向。

其實(shí)，我們生活中經(jīng)常遇到偏振現(xiàn)象。比如偏光太陽鏡，它利用光的偏振特性來減少反射眩光。偏振鏡片僅允許振動(dòng)方向與偏振軸平行的光線通過，從而將雜散光轉(zhuǎn)換為平行光，消除不規(guī)則反射產(chǎn)生的眩光，讓視野更清晰。再比如，很多液晶屏幕(如手機(jī)或筆記本)也會(huì)利用偏振原理成像，這就是為什么當(dāng)從某個(gè)角度看屏幕時(shí)會(huì)變黑或變色的原因。

在宇宙中，光的偏振常常受到磁場(chǎng)的影響。例如，當(dāng)帶電粒子在強(qiáng)磁場(chǎng)中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)出一種叫“同步輻射”的光，這種光往往是高度線偏振的[4]。也就是說，它的振動(dòng)方向并不是雜亂無章的，而是有規(guī)律的。這種規(guī)律性，正是科學(xué)家解碼黑洞圖像的關(guān)鍵。

3旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)“攪動(dòng)”時(shí)空

愛因斯坦的廣義相對(duì)論告訴我們，黑洞不僅能扭曲空間和時(shí)間，還能“拖動(dòng)”它們。想象一下，一個(gè)巨大的陀螺在水中旋轉(zhuǎn)，會(huì)帶動(dòng)周圍的水流跟著打轉(zhuǎn)。類似地，一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞也會(huì)讓周圍的時(shí)空“旋轉(zhuǎn)”——這就是所謂的“參考系拖曳效應(yīng)”[5]。圖2給出了旋轉(zhuǎn)黑洞所導(dǎo)致的時(shí)空拖曳效應(yīng)的藝術(shù)化呈現(xiàn)。

圖2　旋轉(zhuǎn)黑洞所引起的時(shí)空拖曳效應(yīng)的藝術(shù)化示意圖

這個(gè)概念聽起來有些抽象，但它其實(shí)有現(xiàn)實(shí)中的實(shí)例。比如，地球本身也是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的天體，它的自轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)周圍的時(shí)空造成微弱的拖曳效應(yīng)?？茖W(xué)家通過精密實(shí)驗(yàn)，比如利用激光陀螺儀或測(cè)量人造衛(wèi)星軌道的微小偏移，已經(jīng)在地球附近驗(yàn)證了這一效應(yīng)[6，7]。甚至我們?nèi)粘Ｊ褂玫腉PS系統(tǒng)，除了高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的狹義相對(duì)論效應(yīng)之外，也必須考慮時(shí)空彎曲帶來的廣義相對(duì)論，才能保證定位的準(zhǔn)確性。

而在黑洞附近，這種拖曳效應(yīng)會(huì)變得極其強(qiáng)烈。它扭曲黑洞周圍磁場(chǎng)的形狀，改變光的傳播路徑[8]。

4黑洞的“指紋”能告訴我們什么？

人們常常把黑洞想象成一個(gè)“吞噬一切”的黑暗巨獸，但實(shí)際上，我們看到的黑洞圖像更多是它周圍的吸積物質(zhì)，也就是被黑洞引力吸引、圍繞它高速旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃[9]。

黑洞的自旋，是描述其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的一個(gè)基本物理量。它不僅決定了黑洞吞噬周圍物質(zhì)的方式，還影響其釋放能量的效率，甚至可能對(duì)整個(gè)星系的結(jié)構(gòu)與演化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。比如，一些高速旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)從兩極噴射出強(qiáng)大的等離子體噴流[10]，綿延數(shù)十萬光年，對(duì)星系中的氣體分布和恒星形成起到“調(diào)控”作用。

作為黑洞的關(guān)鍵參數(shù)，自旋的測(cè)量在天體物理學(xué)中占據(jù)重要地位。然而，迄今為止，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)黑洞自旋的精準(zhǔn)測(cè)定，仍然是一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法通常依賴于分析X射線的發(fā)射譜，或追蹤吸積盤中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡[11，12]。這些方法往往需要建立復(fù)雜的理論模型，對(duì)吸積盤的溫度、密度、視角等參數(shù)做出假設(shè)，因此結(jié)果容易受到模型不確定性和吸積狀態(tài)變化的干擾，精度有限。

為突破這一瓶頸，我們研究團(tuán)隊(duì)聚焦于旋轉(zhuǎn)黑洞附近的極端物理環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，在黑洞自旋引發(fā)的“參考系拖曳效應(yīng)”作用下，事件視界附近的磁場(chǎng)線會(huì)被扭曲成高度螺旋狀的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引導(dǎo)等離子體沿特定方向運(yùn)動(dòng)。這種有序的磁場(chǎng)與等離子體分布，會(huì)在偏振圖像中留下清晰而 穩(wěn)定的“指紋”特征[3]。

更為重要的是，這種“近視界偏振”模式具有高度的普適性：在理想條件下，其形態(tài)主要由黑洞自身的時(shí)空幾何決定，而對(duì)吸積物質(zhì)的具體細(xì)節(jié)(如速度、密度、溫度等)依賴甚微。換句話說，無論黑洞周圍的氣體如何流動(dòng)、磁場(chǎng)如何改變，這些偏振特征依然穩(wěn)定存在，成為直接反映黑洞“個(gè)性”的物理標(biāo)記。圖3給出了旋轉(zhuǎn)黑洞事件視界附近所呈現(xiàn)的典型偏振圖案。

圖3　觀者的像平面上事件視界邊緣的偏振分布，其中雙向箭頭表示了線偏振的方向。圖中

a

通俗地說，這種偏振圖像就像黑洞留下的“簽名”，每一個(gè)黑洞都有一套獨(dú)特的偏振結(jié)構(gòu)，記錄著它的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。就像我們通過指紋識(shí)別身份，科學(xué)家也可以通過這些“偏振指紋”識(shí)別黑洞的自旋方向和快慢。具體而言，黑洞自旋直接決定了事件視界附近電矢量偏振角的取向：當(dāng)自旋接近零時(shí)，偏振呈徑向分布，電矢量偏振角為0°；隨著自旋增加，偏振逐漸展現(xiàn)出螺旋結(jié)構(gòu)；在極高自旋極限下，電矢量偏振角約為-26.8°。這種方法不僅更直接、更穩(wěn)定，還為未來黑洞參數(shù)的測(cè)量提供了一種全新的觀測(cè)途徑。

相關(guān)研究成果已發(fā)表于

The Astrophysical Journal Letters

5未來的黑洞觀測(cè)新視角

目前，EHT已經(jīng)能夠測(cè)量黑洞圖像中的偏振信息，并在2021年和2024年先后公布了M87*和SgrA*的偏振圖像[13，14]，如圖1(c)，(d)所示。這些圖像顯示，黑洞周圍的磁場(chǎng)呈現(xiàn)出高度有序的結(jié)構(gòu)，支持了同步輻射和偏振的理論預(yù)期。

隨著望遠(yuǎn)鏡陣列的擴(kuò)展和觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，未來的黑洞圖像將更加清晰，偏振測(cè)量也將更精確[15]。這將使科學(xué)家們能夠真正應(yīng)用近視界“偏振指紋”技術(shù)，大規(guī)模測(cè)量黑洞的自旋，為我們繪制一幅宇宙黑洞的“性格地圖”。

不僅如此，如果某一天科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某個(gè)黑洞的近視界偏振圖像與愛因斯坦的預(yù)測(cè)不符，那可能意味著我們對(duì)引力的理解還不完整，甚至可能發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律。這正是科學(xué)最令人激動(dòng)的地方：每一次觀測(cè)，都是一次對(duì)宇宙基本法則的挑戰(zhàn)。

6從看見到理解，黑洞不再神秘

從最初的“黑洞剪影”，到如今的“黑洞指紋”，人類對(duì)宇宙最神秘天體的認(rèn)識(shí)正一步步深入。偏振圖像不僅是技術(shù)上的突破，更是觀念上的飛躍——它讓我們意識(shí)到，黑洞并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的“黑點(diǎn)”，而是一個(gè)有結(jié)構(gòu)、有性格，甚至有“表情”的宇宙角色。

未來，隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷提升和理論模型的不斷完善，我們或許能真正“看見”黑洞的內(nèi)部，甚至揭開宇宙最深處的秘密。而這一切，正是從那一束有方向的光開始的。

參考文獻(xiàn)

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