黑洞是什么样？它为什么有那么大的能量？怎么观测

2019年，天文学家们震惊了世界，他们发布了一张史诗级的图片，照片中可以看到物质围绕着距离地球5500万光年的M87星系核心的超大质量黑洞旋转。天文学家们将地球周围的射电望远镜连接起来，创造了“事件视界”望远镜，这是一个虚拟的、模拟了地球大小口径的望远镜，实现了这个惊人的观测。

更多的观测还显示，即使环本身的形状和大小相当稳定，黑洞周围的物质亮度仍然发生了变化。这些都有助于天文学家了解物质进入黑洞的最后一跃前发生了什么。

M87星系有一股强大的物质喷流从其中心黑洞喷发而出，喷流由即将落入黑洞的物质产生的巨大磁场提供动力。来源：NASA, ESA, 及 the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); 致谢: P. Cote (茨伯格天体物理研究院) 及 E. Baltz (斯坦福大学)

通过无线电波可以观测到物质漩涡发出的光，它们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物质发热产生的——尽管物质的确是令人难以置信的高温——而是因为物质中嵌入了强烈而复杂的磁场。虽然这个图像令人震惊，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力学活动的力量。

但到今天，已经有三篇相关论文出版了。利用事件视界望远镜的数据，天文学家能够绘制出来自物质的偏振光，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，显示了来自抛射物质的偏振光方向。这是由物质磁场造成的，它促成了大部分物质的抛射。来源：EHT

光可以被认为是一系列把能量从物体上带走的波。通常这些波的方向是随机的；如果你把它想象一根吉他弦，你可以拨动它，它会上下、左右，或向任何方向震动。

然而，有些现象发出的波是整齐的——就像弹吉他时，弦都是水平振动的。以这种方式排列的光波称为偏振光。你们可能已经了解过这个概念：从金属或玻璃上反射的光可以是偏振光。偏振光太阳镜有滤光片，滤光片中的分子都是朝一个方向排列的，这样当水平表面反射的偏振光透过太阳镜时，它就会被挡住。只有与分子对齐的偏振光才能通过。

等离子体中的磁场（一种从原子中剥离了一个或多个电子的气体）也能引起偏振光的发射。电子以接近光速的速度绕磁力线旋转，当它们旋转时，就会发出称为同步辐射的光。这种光在自旋方向上是偏振的，偏振的强度可以用来测量多种关于等离子体和磁场的现象。

黑洞周围的物质形成了一个圆盘，我们可以看成一个光环围绕着黑洞（黑洞远侧的圆盘是可见的，因为黑洞强烈的引力使它向上弯曲并朝向我们环绕）。来自光环的偏振光与光环本身是平行的，这表明磁场从黑洞向边缘围绕着光环（这种磁场被称为极向场，我觉得很有趣）。

测量这种极化显示黑洞附近的磁场相当强，实际上磁场有助于将物质保持在圆盘中的内边缘，并暂时减缓部分物质落入黑洞。他们测量了物质落入黑洞的速率，大概是每年0.0003-0.002的太阳质量。这听起来可能不算多，但事实上，这意味着在这个范围的上限，黑洞每年要多消耗两颗木星的物质。

或者，你倾向这样的描述：黑洞一天两次吞入相当于地球的物质。

（突然惊慌并且尖叫着原地跑圈）

这是非常惊人的。他们还发现磁场的强度大约是1-30高斯，或者说大约是地球磁场强度的2到60倍。听起来可能不算多，但它的作用范围很广，至少有几千亿公里。磁场的威力也非常巨大。

武仙座A是一个相对较近的活动星系的例子，它的中心有一个黑洞，吞噬物质同时喷射出大量的辐射和物质。图源：NASA, ESA, S. Baum and C. O'Dea (RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

事实上，像这样的黑洞可以把物质和能量的光束发射到远离星系盘的地方，天文学家称之为喷流，这些喷流非常强大，可以延伸数十万光年，远远大于整个星系。这种喷流的能量简直让人震惊；光是喷流物质的动能（它的运动能量和使它加速所需的能量）就可以是太阳发出能量的数十亿倍！

我们知道这些是磁性现象，是由吸积盘的内部磁场扭曲成龙卷风一样的漩涡引起的，但不清楚这是怎么发生的。通过测量黑洞附近的磁场特性，天文学家将深入了解这些奇怪而可怕的强大特性。M87有这样的喷流（由于相对论效应，我们只看到一个大致朝向我们的喷流），新的研究中也对它进行了分析。

M87超大质量黑洞的放大图片（从上到下）：哈勃的图像呈现了全局景观；ALMA天文台观测显示，整个喷流中都有偏振光；VLBA显示了内部喷流中的偏振光，而事件视界望远镜观测到了黑洞吸积盘中的偏振光。图源：EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; 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测结果现在才公布的原因；分析这些数据所花的时间要比制作我们两年前看到的图像长得多。但是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，尽管非常酷，但并不是最有价值的。真正有价值的是我们知道了自己能做到这一点。这是一项非常困难且有开创性的工作，但它是可以做到的。还有更多的黑洞可以通过这样的方式研究，包括人马座A，这个银河系中心400万太阳质量的庞然大物。我们可能需要更大、功能更强的射电望远镜，还可能需要更强大的计算机处理能力。但现有的观测表明，这是一个技术问题、一个能解决的工程问题，而不是物理问题。

我们可以窥视数百万光年之外的物质，筛选特定种类的光，并利用这些信息更好地了解一个65亿倍太阳质量的黑洞对现实空间结构的影响。我认为这是非常值得知道的。