黑洞偏振照片細節升級,是如何拍攝的?能否解開黑洞噴…


黑洞偏振照片細節升級,是如何拍攝的?能否解開黑洞噴流之謎?的頭圖

黑洞偏振照片細節升級,是如何拍攝的?能否解開黑洞噴流之謎?

曾發布過人類首張黑洞照片的由多國科學家組成的視界面望遠鏡團隊再度聯合召開發布會,發布首張由視界面望遠鏡陣列拍攝到的黑洞偏振照片,照片中的M87星系中心黑洞的吸積盤猶如甩起一頭柔順的秀發,柔美而讓人迷惑:這是啥?為何能解開黑洞噴流之謎?

這個萌翻網友的橙紅色甜甜圈其實是圍繞在黑洞周圍的吸積盤,裡面的等離子體繞著中心黑影處的黑洞高速旋轉著。由於多普勒頻移效應,向我們靠近的半圈(上半部分)與遠離我們的半圈(下半部分)就產生了強烈的明暗的光效。

而圖中這一縷縷猶如秀發般的線條,其實是反映了是黑洞吸積盤上說發出光子的偏振方向。

什麼是偏振?

那麼問題來了,偏振是啥?為啥會有偏振?說起偏振,很多人一定都有接觸過,那就是電影院裡的3D電影,它的原理就是利用了光的偏振,兩種互相垂直的偏振光播放不同​​視角的兩個畫面,然後被兩塊互相垂直的偏振鏡片過濾後,我們的左右眼就只能看到其中一個偏振的畫面,由於這兩個畫面是由不同的視角拍攝的,合成的畫面存在景深,就使我們的大腦腦補出立體的畫面。

“道理我都懂,但是偏振究竟是個啥?”偏振其實就是電磁波的振動方向,光是一種電磁波,是互相垂直並交替變化的電場和磁場光速向外傳播,三者皆彼此互相垂直,也就是電場方向、磁場方向和傳播方向均互相垂直。其中電場的方向就是偏振方向。如下圖:

M87中心黑洞的偏振是如何產生的?

在自然界中,自然光源發出的可見光一般都是自然光,屬於非偏振光,沒有特定的偏振方向,不過當非偏振光經過特定表面產生反射時,頻率較低的同時有時會變成偏振光,但是問題來了,黑洞的吸積盤是直接發光傳播到我們視界面望遠鏡裡的,並沒有經過二次反射,它為什麼會產生偏振光?答案就是黑洞那強大的磁場!

黑洞那強大的磁場又是如何產生?

當黑洞周圍的氣體落入高速自旋的M87星系中心黑洞過程中,會繞著黑洞高速旋轉形成一個氣體盤,期間內層氣體與外層氣體由於速度差發生摩擦從而產生高溫,高溫導致吸積盤上的氣體發生電離,變成游離的帶電粒子,成為一個等離子體盤。高速旋轉的等離子體就產生了強大的磁場。而強大的磁場就產生了極化的電磁波,也就是偏振光。

黑洞的偏振照片如果拍攝?

雖然吸積盤產生的強度磁場能使電磁波產生特定偏振,但其實此次捕獲的偏振只佔整體輻射的10%不到。這是由於多種因素導致的,包括瞭望遠鏡的分辨率,如果沒有足夠分辨率,不同方向的偏振光就會疊加在一起導致無法分辨偏振信息。另外距離視界較近的部分由於引力紅移導致較為暗弱,偏振度也較低。還有一種稱為法拉第旋轉效應也會導致偏振光在在磁化介質中發生旋轉從而丟失偏振信息。不過這種旋轉效應的影響會隨著偏振光頻率的增加而減弱,由於視界面望遠鏡採樣的是在射電波段裡頻率相對較高的毫米波,波長僅為1.3毫米,因此得以保存足夠的偏振信息,而有效基線相當於地球直徑的視界面望遠鏡干涉陣列為拍攝提供了足夠的分辨率,使這張偏振圖片最終得以成像。

那麼具體是怎麼拍攝呢?既然要拍攝偏振光,自然要使先獲其不同偏轉角下的畫面,然後根據不同偏轉角獲得的畫面繪製出偏轉角變化的曲線,最終呈現出來就是圖一的效果。但實際上這次的偏振光信息是拍攝第一張黑洞照片時獲得的,並不是專門重新拍攝,而是通過後期的偏振校對獲得偏振信息,參與偏振校對的三個工作組分別用不同方式得到非常一致的偏振圖像,最終獲得這張照片。至於具體偏振校對的方法,好像並沒有說……

獲得黑洞吸積盤偏振信息有何意義?或能解開黑洞噴流形成之謎

吸積盤射電信號裡的偏振信息包含了黑洞磁場的信息,是科學家用以研究5500光年外的黑洞強大磁場的重要資料。 M87星系中心黑洞有一個非常知名的天文景觀,就是它噴出的長達數千光年的高速噴流。

這種被稱為相對論性噴流匯集成一束異常集中的射流以接近光速的速度被噴射出去,科學家一直對這種黑洞噴流的形成機制不太確定,目前主流的理論解釋是黑洞吸積盤產生的強大磁場,在高速旋轉中纏繞的磁力線使流向兩極的等離子體集中成一束狹小的噴流。而通過偏振信息對黑洞磁場的研究將有助於科學家研究確認或修正關於黑洞噴流形成和演化的相關理論。

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